Att poppa toppen på husfärg brukar locka folk att titta in i burken. Men Princeton-forskare har vänt blicken uppåt, till undersidan av locket, där det visar sig att mönster av droppar skulle kunna inspirera till nya sätt att göra mikroskopiskt små strukturer.

Tricket kommer i att kontrollera dropparna, som bildas under konkurrerande influenser som gravitation och ytspänning. En ny studie, publicerad 26 oktober i tidskriften Naturkommunikation , förklarar hur en djupare förståelse för dessa mycket dynamiska, ibland kan instabila krafter utnyttjas för att billigt och snabbt tillverka föremål som normalt kräver en dyrare och mer tidskrävande process.

"Vi har gjort bort formarna, sa Pierre-Thomas Brun, biträdande professor i kemisk och biologisk teknik vid Princeton och huvudforskaren för studien. "Vi behöver inte ett rent rum eller någon snygg utrustning, så ingenjörer har mycket mer frihet i designprocessen."

Att använda ett silikon som är vanligt i medicinsk utrustning, teamet hällde en tunn flytande film över ytan på en tallrik, ungefär lika stor som en cd, som de sedan vände upp och ner i flera minuter medan filmen härdade. Utan ingripande, det flytande silikonet stelnar till en oregelbunden mängd droppar - ungefär som färgen under ett lock. Men genom att etsa plåten med matematisk precision, använda laser för att skära märkena, forskarna "sådde" dropparna i ett gitter av perfekta hexagoner, var och en med en enhetlig dimension.

"Gravity vill dra ner vätskan, sa Joel Marthelot, postdoktor vid Princeton och huvudförfattare på tidningen. "Kapillärkrafter vill att ytan ska deformeras minimalt. Så det finns en konkurrens mellan dessa två krafter, vilket ger upphov till strukturens längdskala."

Mer sofistikerade versioner av experimentet använde en centrifug i stället för gravitationen, vilket gjorde det möjligt för laget att variera storleken på dropparna med en obestämd räckvidd. Istället för tallrikar, i denna version använde de plastcylindrar som ser ut som klara hockeypuckar. Överskottsvätskan snurrade av och lämnade sitt förutsägbara mönster av härdade droppar. Tekniken fungerade ner till gränsen för deras maskineri, som producerade ett gitter av strukturer som var och en var runt 10 mikron, en bråkdel av bredden på ett människohår. Strukturerna, som är prototyper, simulera de typer av mjuka linser som är vanliga i smartphones.

"Ju snabbare den snurrar, ju mindre droppar, Marthelot sa, noterade att de kunde göra strukturer ännu mindre än vad de hade uppnått hittills. "Vi vet inte riktigt gränsen för vår teknik. Bara gränsen för vår centrifug."

Enligt Brun, ingenjörer betraktar vanligtvis de typer av mekaniska instabiliteter som orsakar detta beteende som ett slags nemesis. De är de fysiska tröskelvärdena som bestämmer viktbelastning eller värmekapacitet. "I detta fall, " han sa, "vi utnyttjade något som normalt sett ses som dåligt. Vi tämjde det och gjorde det funktionellt genom att göra det till en väg till tillverkning."

Tekniken kan enkelt utökas till storskalig tillverkning, sa forskarna. När deras metoder utvecklas, de planerar att skapa biomimetiska enheter, som en uppblåsbar sammansatt lins som efterliknar en insekts öga, eller mjuka robotar som kan användas inom medicinsk teknik.

"Man kan föreställa sig ett brett spektrum av potentiella framtida tillämpningar, sa Jörn Dunkel, docent i matematik vid Massachusetts Institute of Technology, "från drag-reducerande eller superhydrofoba ytor till mikrolinser och konstgjorda ciliära mattor."