原标题:逆向操作 中国科学家让液滴变气泡

原标题:用声波打印:科学家发明新型打印术,打印机方式可用于一切材料

打开开关,散落在水中的白色细小颗粒仿佛突然听到了召唤。它们“听话”地聚集在一起,在水中勾勒出了人们熟悉的图案——那是毕加索笔下的和平鸽。关掉开关,和平鸽的图案又会消散无形。

  一般来说,气泡破裂后会产生液滴,但在英国《自然·通讯》杂志11日发表的一项物理学研究中,中国科学家团队描述了一种逆向操作的方法——让液滴转变为气泡。

参加 Meet 35
大会,请刷右下角二维码

图片 1通过控制声场中的声强大小可使有机硅(聚二甲基硅氧烷)颗粒形成和平鸽图形。颗粒直径为150μm。视频来自:参考文献1

据了解,该成果有助于找到液—液界面的操纵方式,对软物质制造具有一定的应用价值。

近日,哈佛大学的研究人员发明了一种新型声波打印技术**:利用声波产生的力精确控制用于打印的液滴,将让喷墨式打印不再受材料限制,而且适用的打印材料范围前所未有地广泛。**

在水中让悬浮颗粒“排好队”的,其实是声波。德国马普研究所的研究人员开创了一种简单有效的声波控制方法,只需要一片特殊形状的3D打印塑料片,再加上一台简单的声音换能器,就可以控制声波完成水中“绘画”了。

声悬浮技术,是地面和空间条件下实现材料无容器处理的关键技术之一,声悬浮能让液滴在声波作用下悬浮在空中,是液滴动力学研究的常用技术。

这项技术在新型生物制药、化妆品和食品制造行业有很大的应用潜力,也将给光学材料和导电材料领域的发展也带来了新的可能性。

这种新方法和现有技术相比,具有精密度更高、速度更快、成本更低的优点,该成果将有助于改善医疗成像并推动超声的新应用。相关论文于9月21日发表在《自然》期刊上\[1\]

而声压是大气压受到声波扰动后产生的变化,即大气压强的余压,利用声压,科学家可以把液滴压扁成很薄的液膜,并诱导屈曲现象,从而实现液滴的变形。

这项研究成果于 8 月 31
日发表在著名国际期刊《科学进展》(Science Advances)上。

声波如何变成“画笔”

声音的本质是振动,它们传递着能量。物理学上认为声音,特别是超声,能够像磁铁产生磁场那样,产生具有能量的“声场”。声场能将能量传递给其它物质,周星驰拍摄的电影《功夫》中,包租婆惊人的狮吼功就是传输声波能量产生的杀伤力。

只要声场足够强,它就可以“隔空”操控液体或空气中的小颗粒了。同时,作为一种波,声波也会发生干涉、衍射,在声场中形成不同的能量密度分布。而这个能量分布图,就是“声全息图”。能量分布不同,对物体的影响也有差异,于是,通过控制声场,就可以让其中的小物体排列成不同的样子。

这种控制技术之前就已经存在。科学家们会把一系列换能器排成阵列,分别控制它们输出的声波信号,以此来形成所需的声场。这样能够让小物体悬浮在声波驻波的波节附近,还能控制它们移动。

图片 2此前,日本研究者用超声波相控阵列控制了小物体的三维移动。更多阅读:酷炫动图(十):物理篇

不过,这种技术也面临一个问题:设备复杂、价格昂贵,而且要想实现精细的控制,输出声波的阵列就必须做得更加复杂、设备数量更多,这就限制了技术的应用推广。

而这一次,马普研究所报道的新方法只需要花几元钱的成本,就可以制造出一个精细控制的声场。他们的秘诀是一块计算机设计、3D打印的塑料片。

此次,中国西北工业大学臧渡洋及其同事将这些已观察到的现象相结合,以对气泡的形成进行控制。

论文的通讯作者、哈佛大学工程与应用科学学院(SEAS)的生物工程学教授
Jennifer Lewis 说:“我们发明的这种声波打印技术,利用了声波产生的力,能按照需求打印任意的材料。”
Lewis 教授也是哈佛大学威斯生物工程研究所(Wyss Institute forBiologically
Inspired Engineering)的核心教员。

五个步骤,画一只和平鸽

通过这种新方法画一只和平鸽,只需要以下几个步骤:

第一步,先选好想要的图形。

图片 3

第二步:使用一种专业的计算方法——迭代角谱法(IASA),算出和平鸽的衍射图样,即将和平鸽图样转换为全息术能够识别的“水波纹”。

图片 4迭代角谱方法(IASA)计算得出的和平鸽图案相位分布图
(2.06 MHz 超声波)。图片来自:参考文献1

第三步:用3D打印机按照上一步计算出的“波纹”,打印出一块凹凸不平的塑料片。这塑料片的“波纹”看似杂乱,但其中所蕴含的,正是我们需要的和平鸽图案。

图片 5透射和平鸽图案全息图的塑料片(边长50mm)。图片来自:参考文献1

第四步:把塑料片覆盖到换能器上。在塑料片比较厚的地方,声波要花更长时间才能通过。这样一来,换能器发出的声波在通过塑料片之后,原本平均的信号就会发生“扭曲”,产生不同的相位分布。

图片 6换能器产生的声波通过塑料片转换为平面图像

第五步:经过转换之后,声波在水中传播。不均匀的声波在水中产生了压力差。

图片 7研究人员模拟出水受到的压力大小数值,可以看出声压不均匀的分布,红色代表压力较大,而蓝色部分代表压力小。

研究人员在水中放入一个装着有机硅小颗粒的透明容器。打开开关,声压就会推动透明容器中的小颗粒。声压大的部位,就会把有机硅小颗粒从容器底器推举到容器顶部。最终,小颗粒就排列出了与声压密度分布一致的“和平鸽”图案。

图片 8“描绘”和平鸽的实验装置立体构造图

除了平面图案,3维控制也同样不在话下。下图中,就演示了喷雾的小水滴在声场中悬浮,组成了立体图案:

图片 9原视频来自:nature
video

同样,在设计好的声场中,一只小纸船也可以按照既定轨道游动。

图片 10原视频来自:nature
video

研究团队先通过声辐射力将液滴压成薄片状的液膜,再通过超声场让液膜弯曲成碗状,内部为共振腔。研究团队发现,共振会让腔体扩大,并引导周围的液面弯曲,最后收缩成一个闭合的气泡。

图片 11

“声波画笔”还能做什么?

画和平鸽、开小纸船很有乐趣,但这项技术的用处可远不止于此。用简单、高效、快速的方法营造出一个复合声场,能沿特定路径移动液体中的固体,也可以将固体和液滴悬浮于空气中,这可以说在声学控制领域里做到了一定范围和程度上的“为所欲为”。经过改进后,这项技术可以广泛应用到各种非接触式的材料处理当中。

当然,这项技术目前最主要的应用方向还是无损检测、医用超声波诊断以及治疗。基于其自身的三大优点可以有效提高医疗成像水平和引导新一轮的超声应用:例如实现对速度和精密度要求更高的超分辨率成像、局部加热以及个体化用药等等。(编辑:窗敲雨)

研究人员观察到的这一过程,指出了一条形成气泡的新途径,而这一途径对于食品、化妆品及制药行业的泡沫等软物质制备具有潜在的应用价值。返回搜狐,查看更多

图 |
在声波打印中,声波产生可控的力,当喷嘴处液滴达到某个尺寸时,能将液滴拽离喷嘴并射向基座,就像从树上摘下一个个苹果。来源:Daniele
Foresti, Jennifer A. Lewis/Harvard University

参考资料:

  1. Kai Melde, Andrew G. Mark, Tian Qiu, Peer Fischer.Holograms for
    acoustics. Nature, 2016; 537 (7621): 518 DOI: 10.1038/nature19755

责任编辑:

从自然界乃至工业界,小小的液滴都有很多应用,比如油墨打印以及药物递送系统中用到的微胶囊。

喷墨打印(Inkjet
printing)**
是一种非常常见的打印技术,通过将墨滴喷射到纸张、塑料或其他基座上来重建数字图像。打印机就是基于这一技术。**

这一技术的特点是只适用于那些粘度仅比水的粘度高约
10
倍的液体,但是实际上很多研究人员感兴趣的液体在粘度方面恰恰远比这要高。
比如,在生物医药和生物打印中至关重要的聚合物以及细胞混合液等生物墨水,它们的粘度至少要比水高出
100 倍。此外,一些糖基的生物聚合物甚至像蜂蜜一样粘稠,粘度高达水的 2.5
万倍之多!

另一方面,这些液体的粘度也会随着温度和成分的变化而发生剧烈的变化,因此想要优化打印参数以控制液滴的尺寸就变得更加困难。

图片 12

图 |
蜂蜜是一种典型的粘稠液体,比水的粘稠度要高 2.5
万倍。声波打印适用于形成任意液体的液滴,能从充满蜂蜜的墨盒中产生极其微小的单个蜂蜜液滴。来源:Daniele
Foresti, Jennifer A. Lewis/Harvard University

“我们的目标是开发一套不受液体材料特性限制的打印系统,尤其是要不受液体粘度影响”,论文的第一作者
Daniele Foresti 说。Daniele Foresti 是科学学会 Branco Weiss
会员(Society in Science – BrancoWeiss
Fellow),也是哈佛大学工程与应用科学学院和威斯生物工程研究所材料科学与机械工程系的助理研究员。

图片 13

图 |
在声波打印中,喷射出的液滴能以任意的排布沉积在基底上。本图是将蜂蜜液滴阵列打印在玻璃片上。来源:Daniele
Foresti, Jennifer A. Lewis/Harvard University

众所周知,由于重力作用,所有的液滴都会往下滴——不管是沿着水龙头快速滴下的水,还是数年才会落下一滴的沥青。然而,如果打印时仅有重力的作用,液滴的尺寸就会很大,并且液滴的滴落速率很难控制。在著名的沥青滴漏实验中,每十年才会有一滴沥青滴落,科学家据此估测沥青的粘度大约是水的
2000 亿倍。

为了增强打印时形成液滴的能力,研究人员将目光转向了声波。声波是一种压力波,研究者通常利用这种压力波来对抗重力作用,就像是声悬浮(acoustic
levitation)中的原理。现在,研究者反过来利用这种声波压力来辅助重力作用,从而发明了这种新型打印技术:声波打印(acoustophoretic
printing)。

图片 14

图 |
声悬浮仪的工作原理。注:声悬浮是高声强条件下的一种非线性效应,其基本原理是利用声柱波与物体的相互作用产生竖直方向的悬浮力以克服物体的重量,同时产生水平方向的定位力将物体固定于声压波节处。来源:百度百科

为此,研究人员搭建了一个亚波长声波谐振器用来生成一个高度局域化的声场,这个声场所产生的拉力远超过打印喷嘴顶端法向重力(1G)的
100 倍,甚至达到太阳表面引力的 4 倍之多!

当液滴达到特定的尺寸时,这种可控的声压能将液滴从喷嘴中拉出,并将其射向打印基底。在这个过程中,声波的振幅越高,液滴的尺寸就越小,而与流体的粘度无关。

图片 15

图 |
声波打印用于液态金属的打印。来源:Daniele Foresti, Jennifer A.
Lewis/Harvard University

研究者使用了空气超声波(airborne
ultrasounds),这一技术基本不受材料影响,所以即使是液态金属也能很容易的打印出来。

Foresti
称:“这个技术的关键是产生一个高强的声场,能从喷嘴处拽下一个个微小的液滴,就像是从树上摘苹果一样。

为了验证该技术的性能,研究人员测试了各种各样的材料,从高粘度的蜂蜜到生物工程常用的干细胞生物墨水、生物聚合物等,此外还有光学树脂、甚至是液态金属等。值得注意的是,声波并不会通过液滴而传播,因此即使是易损的生物载体,如活细胞或蛋白质大分子等,这种方法也是安全有效的。

“我们的技术应该会对制药业产生立竿见影的影响,”Lewis
说,“不过,我们相信这也会成为其他多个行业的重要平台。”

“这是合作研究广度和深度相结合的一个精妙而有影响力的例子,”美国国家科学基金会(NSF)材料研究科学与工程中心(MRSEC)项目主任
Dan Finotello
说,“作者开发了一种新型的声学打印平台,与其他方法对比最大的优势是其与材料性质无关,因此具有很好的打印通用性。(它的)应用空间是无限的。”

这项研究的其他共同作者是 Katharina
Kroll、Robert Amissah、Francesco Sillani、Kimberly Homan 和 Dimos
Poulikakos。哈佛大学技术发展办公室(Office of Technology
Development)以申报该项目有关的知识产权,并且正在商业化该技术。

该研究由科学学会 Branco Weiss
资金以及美国国家科学基金会通过哈佛大学材料科学与工程研究中心(MRSEC)资助。

编辑:Lisa

参考:

)

责任编辑: