Har du någonsin märkt att vid uppvärmning av en oljefilm i en panna inte förblir helt platt? Istället, det bildar ett vågigt mönster som liknar utsidan av en apelsin. Den här typen av deformationer inspirerade en grupp forskare vid Technical University of Darmstadt, i Tyskland, för att undersöka om de kan användas för att förbättra och effektivisera mikrofabrikationsprocesser.

Oljefilmen är ett klassiskt exempel på ett hydrodynamiskt system med ett vätske-gas-gränssnitt medan, till exempel, de små fettdropparna i mjölk har ett vätske-vätske-gränssnitt. Plana flytande filmer, som oljefilmen, är särskilt mekaniskt instabila och kan genomgå förändringar i morfologi om de inte hålls vid en enhetlig temperatur.

Endast tillräckligt tunna flytande filmer genomgår betydande ytdeformationer vid exponering för spänningar vid ytan, medan mycket regelbundna periodiska flödesmönster utvecklas i huvuddelen av tjockare filmer när de utsätts för samma påfrestningar.

I markant kontrast till tunnare filmer, tjockare filmer visar inga signifikanta ytdeformationer. Så, i samband med att utveckla okonventionella mikrofabriceringstekniker, de flesta ansträngningarna har fokuserat på gränssnittsinstabiliteten hos mycket tunna filmer.

Dessa ansträngningar indikerade att accentuerade mönster kan uppnås, men de är tyvärr mycket oregelbundna i filmens spridningsriktning. Denna grundläggande nackdel kan spåras till samma anledning som en vattenstråle som rinner från en kran så småningom delar sig i droppar:ytspänning.

Som gruppen beskriver i Tillämpad fysikbokstäver , från AIP Publishing, de kombinerade det mycket regelbundna konvektionsmönstret som bildas i tjockare lager med starka gränssnittsdeformationer endast möjliga i mycket tunnare vätskefilmer. "Till skillnad från tidigare arbetsadresseringssystem med flera gränssnitt, i vårt tillvägagångssätt har varje lager en mycket olika initial tjocklek än det andra, "sade Iman Nejati, tidningens huvudförfattare och en doktorsexamen student vid Institute for Nano and Microfluidics, Center för smarta gränssnitt, TU Darmstadt.

Detta tillvägagångssätt innebär i huvudsak att smörja in en tunn oljefilm som är känslig för bestrålning med ultraviolett (UV) ljus mellan ett fast plant underlag och ett mycket tjockare lager av en annan icke blandbar vätska. Detta innebär att systemet inte bara har ett vätske-gas-gränssnitt som det första exemplet på oljefilmen i en kastrull utan också ett vätske-vätske-gränssnitt.

"Att utsätta detta flerskiktssystem för en förvånansvärt liten temperaturskillnad i skiktets riktning orsakar spänningar vid vätske-gasgränssnittet på grund av en temperaturberoende ytspänning, "sa Nejati." Dessa spänningar driver roterande cellflödesmönster i det tjockare skiktet, som är mycket periodiska i det skiktets spridningsriktning. "

I stället för att använda de spänningar som orsakas av den temperaturberoende ytspänningen direkt för att mönstra filmen, gruppens tillvägagångssätt bygger på flödesmönstret i det tjockare skiktet för att deformera den tunnare filmen under.

Denna strategi möjliggör att "mönstra stora områden med mycket regelbundna strukturer parallellt - alla strukturer är tillverkade samtidigt - i ett enda processsteg, vilket sparar tid och minskar kostnaderna, "förklarade Nejati." Eftersom strukturerna genereras från en vätska, utan verktyg som får mekanisk kontakt med arbetsmaterialet, ytan är mycket slät och kräver ingen ytterligare bearbetning. "

Och genom att konstruera temperaturfördelningen längs vätske-gas-gränssnittet i det tjockare skiktet, konvektionscellerna och deformationen av den tunna filmen kan anpassas för att uppfylla specifikationerna för en önskad struktur av intresse. När önskad deformation har uppnåtts, det är "fruset" på plats genom bestrålning med UV -ljus.

Kombinationen av de nämnda fördelaktiga funktionerna i den nya tekniken är mycket önskvärd eftersom alla vanliga mikrofabriceringstekniker - inklusive fotolitografi, utskrift, eller prägling - inte uppfyller minst ett av dessa kriterier. "Med tanke på den relativt enkla utrustningen som behövs för vår metod, och hur lätt den anpassar sig till specifika situationer, den kan också användas för tillverkning av produkter med låg kvantitet, "Tillade Nejati.

Vilka applikationer tänker sig gruppen för sin metod? Till att börja, den är idealisk för att tillverka mikrolinser. "Dessa matriser förbättrar lokalt ljusintensiteten och kan användas av optikindustrin i integrerade bildsystem, okonventionell fotolitografi, och solcellsanläggningar, "förklarade Nejati." För solceller, en uppsättning linser placerade ovanpå en solcell kan fungera som en ljuskollektor för att öka effektiviteten hos det solcellsanläggning genom att göra det mindre känsligt för solens ljusets lutningsvinkel i förhållande till cellytan. "Gruppens metod kan lätt vara integrerad i tillverkningsprocessen av solceller.

Inom en snar framtid, "Det kommer inte att finnas något direkt behov av att stelna strukturerna med UV -ljus, "noterade han." I stället uppsättningen linser kan förbli i flytande tillstånd, vilket gör att vi kan ändra flytande linsers periodicitet om, säga, temperaturskillnaden som driver konvektionscellerna varierar. Detta bör bidra till utvecklingen av justerbara linsuppsättningar. "