I takt med att intresset och efterfrågan på nanoteknik fortsätter att öka, så kommer behovet av nanoskala utskrift och sprutning, som förlitar sig på att avsätta små droppar vätska på en yta. Nu har forskare från Tsinghua -universitetet i Peking utvecklat en ny teori som beskriver hur en sådan nanosiserad droppe deformeras och går sönder när den träffar en yta.

Modellen, diskuterades i deras publikation som visas denna vecka i Vätskans fysik , kan hjälpa forskare att förbättra kvaliteten på utskrift och beläggning i nanoskala, viktigt för allt från utskrift och beläggning av små enheter och strukturer till 3D-tryckmaskiner och robotar.

När det gäller att spruta beläggningar, till exempel, ju mindre och snabbare dropparna är när de träffar ytan, desto bättre kvalitet på beläggningen, sa Min Chen, en professor vid avdelningen för mekanisk mekanik vid Tsinghua University. Dock, vid vissa slaghastigheter, dropparna kommer att bryta upp och stänka, förstör beläggningen.

Så för att förbättra tryck- och sprutningstekniker, vi måste bättre förstå de förhållanden som gör att droppar deformeras när de träffar en yta, liksom hur de går sönder. Men eftersom det är mycket svårt att experimentera med nanostora droppar, forskare förlitar sig ofta på datasimuleringar.

Bu-Xuan Li och Xin-Hao Li, tillsammans med Chen, använde en teknik som kallas molekylär dynamiksimulering, där de simulerade varje molekyl som utgör en droppe vatten. Varje droppe, bestående av cirka 12, 000 molekyler, är cirka 8,6 nanometer i diameter och träffar ytan med några hundra meter per sekund. Datorn simulerar vad som händer när samlingen av vattenmolekyler träffar en plan yta.

"Vi utvecklade en analysmodell för att beskriva deformationsprocessen och en annan för att beskriva uppbrottsprocessen, " sa Chen. Deformationsmodellen förbättrar lagets tidigare arbete, "men upplösningsmodellen är helt ny."

Uppbrottsmodellen kombinerar teori med resultaten från simuleringarna, tillhandahålla en formel som forskare kan använda för att beräkna när en droppe kommer att gå sönder. Enligt Chen, modellen är klar för användning i applikationer.

En begränsning är att modellen bara är verifierad för att fungera för droppar i nanoskala, och inte för större droppar. "Anledningen är att hur en droppe bryts upp är annorlunda i makro- och nanoskala, "Sa Bu-Xuan Li.

Modellen gäller också bara så kallade Newtonska vätskor som vatten. Forskarna arbetar nu med att utveckla en modell för icke-newtonska vätskor, såsom råolja eller klibbig blandning av majsstärkelse och vatten som ibland kallas Oobleck. Till exempel, en icke-newtonsk modell skulle behövas för 3-D-tryckpolymerer och biomaterial, såsom mänsklig vävnad och organ.

Modellen är också användbar för att beskriva hur vattendroppar kolliderar med flygplan och bildar is, vilket är en säkerhetsrisk. Dessa vattendroppar, hängande i moln, sträcker sig vanligtvis från 20 till 50 mikrometer – större än de i simuleringarna. Fortfarande, Chen sa, deras modell är användbar eftersom inte mycket är känt om hur dessa vattendroppar träffar flygplan.