(Phys.org)-Många senaste framsteg inom mikroteknik och nanoteknik beror på att mikroskopiska sfäriska partiklar självmonteras till storskaliga aggregat för att bilda ett relativt begränsat antal kristallina strukturer. Riktad montering är en ny gren av detta område, där forskare räknar ut hur partiklar samlas för att bilda ett brett spektrum av strukturer på givna platser.

Nuvarande tekniker för riktad montering använder vanligtvis ett tillämpat fält, såsom ett elektriskt eller magnetiskt fält, att flytta partiklar och montera dem i väldefinierade strukturer. Nu, forskare vid University of Pennsylvania har identifierat en enkel ny metod för att styra partikelmontering endast baserat på ytspänning och partikelform.

Forskningen, ledd av Kathleen J. Stebe, professor vid Institutionen för kemisk och biomolekylär teknik och skolans biträdande dekan för forskning, utfördes av ett team av forskare i hennes laboratorium, Marcello Cavallaro Jr., Lorenzo Botto, Eric P. Lewandowski och Marisa Wang. Det publicerades i Förfaranden från National Academy of Sciences .

Deras resultat bygger på det enkla faktum att en flytande yta tenderar att minimera dess ytarea.

”Det är samma anledning till att ytspänning gör att en droppe vatten vill vara en sfär, Sa Stebe. "Men vi kan ställa in det fenomenet för att göra häpnadsväckande saker."

Självmonterade sfäriska partiklar har använts för att göra nya material med unika optiska och mekaniska egenskaper, men icke-sfärisk, eller anisotrop, partiklar kan hålla ännu större löfte. Genom att ha en definierbar riktning, egenskaperna hos de material partiklarna utgör kan ändras utifrån deras orientering.

I studien, Stebes laboratorium använde cylindriska partiklar gjorda av en vanlig polymer. När den placeras på ytan av en tunn film med vatten, cylindrarna ger en sadelformad deformation:vattenytan doppar i varje ände av en partikel och stiger upp längs sidorna.

Stebe-labbet hade tidigare visat att denna sadelform kan användas för att orientera två cylindriska partiklar från ände till ände. När depressionerna i deras ändar kommer i kontakt, ytspänning får området i utrymmet mellan dem att dra ihop sig, föra ihop ändarna.

I den nya studien, istället för att två partiklar interagerar, partiklar interagerar med en stationär post. Stolpen petar genom vattenytan, vilket får ytan att kurva uppåt runt den. Interaktionen mellan en partikels deformation och denna kurva styrs av samma fenomen av ytspänning som visas i den tidigare studien; partiklarna rör sig för att göra ytan så liten som möjligt.

”Det betyder att så snart partiklarna träffar vattenytan, de ändrar sin inriktning och börjar röra sig snabbt uppför mot stolpen, ”Sa Cavallaro. "Vi kunde också förutsäga linjerna de skulle resa för tre olika stolpformer."

Genom att ändra stolparnas tvärsnittsform, forskarna kunde visa fin kontroll över hur partiklarna rörde sig och orienterades. En cirkulär stolpe lockade partiklar i raka linjer, medan en elliptisk stolpe drog partiklar till de långsträckta ändarna. En fyrkantig stolpe gav det mest komplexa beteendet, drar partiklar starkt till hörnen, lämnar sidorna öppna.

Laboratoriets val av partikelform och material var endast för att hjälpa forskarna att observera partiklarnas orientering och position; alla icke-sfäriska partiklar, på en vätska-vätska eller vätskeånga yta, skulle styras av samma principer och producera samma typ av deformation. Detta gör denna forskning särskilt kraftfull:den beror inte på att partikeln har en viss form eller är gjord av ett visst material.

Ytor med strategiskt placerade och formade stolpar skulle kunna rikta och orientera partiklar i nästan vilken konfiguration som helst. Och eftersom mekanismen bakom partiklarnas rörelse helt enkelt är ytkrökning, deras rörelse kan ”programmeras” genom att ändra stolparnas placering eller gränssnittets form.

"Jag kunde gå in med nål, till exempel, och dynamiskt dra upp ytan på olika platser, eller under olika tider, Sa Stebe.

”Mycket ofta när vi funderar på att använda mikro- eller nanoteknik, vi tänker inte på egenskaper i den lilla skalan:Det kommer att vara den organiserade strukturen gjord av mikro- eller nanopartiklar som kommer att vara användbar, kanske som ett objektiv eller en smart yta, ”Sa hon. ”Detta fenomen kan användas för att skapa nya strukturer genom att skicka partiklar till vissa platser. Vi kan definiera vägar och säga "här är en dockningsplats:åk dit" eller "här är en plats där vi inte vill ha något; gå inte dit. '

”Detta är en tydlig demonstration av riktad montering. Som självmontering, saker kommer ihop från botten upp, men här kommer de ihop precis där vi vill att de ska. ”