Φυσικοί στο Πανεπιστήμιο της Λιέγης κατάφεραν να σμιλεύσουν την επιφάνεια του νερού εκμεταλλευόμενοι την επιφανειακή τάση. Χρησιμοποιώντας 3D εκτύπωση ακίδων τοποθετημένων σε μικρή απόσταση, συνδύασαν μηνίσκους για να δημιουργήσουν προγραμματισμένα υγρά ανάγλυφα, ικανά να καθοδηγούν σωματίδια μόνο υπό την επίδραση της βαρύτητας. Αυτή είναι μια πολλά υποσχόμενη πρόοδος για τη μικροσκοπική μεταφορά και διαλογή, καθώς και για τον έλεγχο της θαλάσσιας ρύπανσης. Η έρευνα δημοσιεύεται στο περιοδικό Nature Communications.
Νερό: Τι θα συνέβαινε αν μπορούσαμε να δημιουργήσουμε πολλούς μικρούς μηνίσκους σε μια μεγάλη επιφάνεια;
Έχετε προσπαθήσει ποτέ να γείρετε ένα υγρό σε ένα ποτήρι; Είναι απολύτως αδύνατο. Αν γείρετε το ποτήρι, η επιφάνεια του υγρού θα επιστρέψει αυτόματα στην οριζόντια θέση… εκτός από μια μικρή – σχεδόν αόρατη – καμπυλότητα που σχηματίζεται κοντά στην άκρη του ποτηριού. Αυτή η καμπυλότητα ονομάζεται μηνίσκος.
Τι θα συνέβαινε αν μπορούσαμε να δημιουργήσουμε πολλούς μικρούς μηνίσκους σε μια μεγάλη επιφάνεια; Τι θα γινόταν αν αυτές οι μικρές καμπυλότητες μπορούσαν να συνδυαστούν για να σχηματίσουν κλίσεις, κοιλάδες ή ακόμα και ολόκληρα τοπία… υγρά; Αυτό ακριβώς κατάφεραν να κάνουν επιστήμονες από το εργαστήριο GRASP του Πανεπιστημίου της Λιέγης, σε συνεργασία με το Πανεπιστήμιο Brown (Η.Π.Α.).
Οι φυσικοί κατάφεραν να σμιλεύσουν την επιφάνεια του νερού εκμεταλλευόμενοι την επιφανειακή τάση
Αξιοποιώντας την εμπειρία τους στον τομέα των υγρών και πιο συγκεκριμένα των διεπαφών υγρών και με πρόσβαση σε υπερσύγχρονο εξοπλισμό 3D εκτύπωσης, η ομάδα GRASP ξεκίνησε να εκτυπώνει διάφορα «μοντέλα», διάφορους χώρους δοκιμών, σε μια προσπάθεια να επικυρώσει τη θεωρία της: 3D εκτύπωση κωνικών ακίδων αρκετά κοντά μεταξύ τους ώστε να παραμορφώσουν την επιφάνεια του νερού σε μεγάλη κλίμακα.
«Όπως γνωρίζουμε, κάθε ακίδα δημιουργεί έναν μηνίσκο γύρω της», εξηγεί η φυσικός Megan Delens. «Ακολουθώντας αυτή τη λογική, αυτό σημαίνει ότι αν τις ευθυγραμμίσουμε καλά και είναι αρκετά κοντά μεταξύ τους, θα πρέπει να δούμε να εμφανίζεται ένα είδος γιγαντιαίου μηνίσκου, αποτέλεσμα της υπέρθεσης και πρόσθεσης κάθε ατομικού μηνίσκου».
Η ομάδα διαπίστωσε ότι τροποποιώντας κάθε ακίδα ξεχωριστά, η επιφάνεια του υγρού δεν παραμένει πλέον επίπεδη, αλλά σχηματίζει ένα είδος «προγραμματισμένου» υγρού τοπίου.
«Προγραμματισμένο» επειδή είναι με την τροποποίηση του ύψους ή της απόστασης μεταξύ των ακίδων που οι ερευνητές κατάφεραν να σχεδιάσουν υγρές διεπαφές που ακολουθούν κάθε είδους τοπογραφίες: κεκλιμένα επίπεδα, ημισφαίρια, αλλά που επίσης σχεδιάζουν πολύ πιο πολύπλοκα σχήματα. Για παράδειγμα, κατάφεραν να δημιουργήσουν το Atomium των Βρυξελλών σε υγρό ανάγλυφο.
Ένας αυτοκινητόδρομος για φυσαλίδες και μικροσωματίδια
Αλλά αυτό δεν είναι το μόνο. «Αυτή η μέθοδος προσφέρει επίσης έναν νέο τρόπο μετακίνησης και διαλογής επιπλεόντων αντικειμένων όπως μπίλιες, σταγονίδια ή πλαστικά σωματίδια», εξηγεί ο καθηγητής Nicolas Vandewalle, φυσικός και διευθυντής του εργαστηρίου.
«Όταν η επιφάνεια του υγρού έχει κλίση, τα ελαφρύτερα αντικείμενα ανεβαίνουν χάρη στην άνωση του Αρχιμήδη και τα πυκνότερα βυθίζονται υπό την επίδραση του ίδιου του βάρους τους, σαν να γλιστρούν σε μια υδάτινη πλαγιά».
Αυτή η εντελώς παθητική προσέγγιση θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί στη μικροχειραγώγηση, τη διαλογή σωματιδίων ή ακόμα και τον καθαρισμό υγρών επιφανειών, για παράδειγμα, για τη συλλογή μικροπλαστικών ή σταγονιδίων λαδιού στην επιφάνεια του νερού.
Το μέλλον της δυναμικής υγρής τοπογραφίας
Η μελλοντική έρευνα θα μπορούσε να εξετάσει πιο εξελιγμένους τρόπους για να κάνουν τις μικρές ακίδες να κινούνται, για παράδειγμα χρησιμοποιώντας υλικά που αντιδρούν σε μαγνητικά πεδία ή που μπορούν να αλλάξουν σχήμα.
«Η ιδέα θα ήταν να μπορούμε να ελέγξουμε το σχήμα της επιφάνειας του υγρού σε πραγματικό χρόνο. Αυτές οι πρόοδοι θα καθιστούσαν αυτήν τη μέθοδο ακόμα πιο χρήσιμη για την ανάπτυξη καινοτόμων νέων τεχνολογιών στη μικρορευστομηχανική», καταλήγει η Delens.
Περισσότερες πληροφορίες: Megan Delens et al, Τρισδιάστατα εκτυπωμένες ράχες για προγραμματιζόμενες υγρές τοπογραφίες και μικροχειρισμό, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-59483-x
Πληροφορίες περιοδικού: Nature Communications
Παρέχεται από το Πανεπιστήμιο της Λιέγης
