Вместо того, чтобы возникать случайным образом, капли следовали предсказуемому шаблону. Эти наблюдения вели аспирантка Я Гай и Синди К. Y. Тан, доцент кафедры машиностроения, чтобы вывести математические правила и понять, почему такие правила существуют.
Работа опубликована в Трудах Национальной академии наук.
Все началось с попытки разработать крошечные устройства, называемые микрожидкостными чипами, предназначенные для автоматизации и ускорения биомедицинских исследований. В прошлом лабораторные эксперименты включали использование пипетки для внесения биологических образцов в пробирку для наблюдения.
Но микрофлюидные устройства работают намного эффективнее. Они размером примерно с почтовую марку, сделаны из силикона, содержащего множество тонких каналов, по которым исследователи могут перекачивать крошечные количества жидкости. Устройства позволяют исследователям поместить образец в каплю воды, окруженную тонкой пленкой масла. Эта капля становится пробиркой.
Масляная пленка удерживает каждую каплю и образец отдельно.
Микрожидкостные чипы, разработанные в лаборатории Tang Lab, могут быстро создавать миллионы таких капель, содержащих образцы. Стабильно текущие капли в конечном итоге направляются одним файлом мимо инструмента, который смотрит на образец внутри капли.
«Изучая физику потока капель в воронке, мы заметили, что, вопреки нашим ожиданиям, капли очень упорядоченно перемещаются мимо друг друга, протискиваясь от широкого конца к узкому концу воронки, что может помещать только одну каплю за раз ", — сказал Тан.
Команда увидела, как падающие капли скользят друг по другу, что чаще всего наблюдается в твердых кристаллах. "Это заставило нас задуматься над концепциями механики твердого тела", — сказал Тан. Она пригласила Вэй Цая, другого инженера-механика, изучающего движение атомов в кристаллах, присоединиться к этой работе.
«Стэнфордское машиностроение — отличное место для работы, поскольку окружающая среда способствует совместным усилиям, в данном случае между микрофлюидикой и механикой твердого тела», — сказал Танг.
В то время как капли воды мягкие, а металлы кажутся твердыми, если вы приблизитесь к тому, что видно, крошечные капельки, покрытые маслом, имеют некоторое сходство с атомами металла, обернутыми электронными облаками.
"Они оба занимают место", — сказал Цай. "Нельзя поместить два атома или две капли в одно и то же место.«Исследователи обнаружили, что при приложении силы — например, когда микрожидкостное давление используется для проталкивания капель через воронку — они сжимаются друг относительно друга и перемещаются в соответствии с законами механики.
Когда кристаллы деформируются, образуются дефекты, называемые дислокациями, которые перемещаются через решетку, перемещая атомы вокруг. Оказывается, периодическая структура капель является результатом дислокационной динамики, которая также возникает при деформации кристаллических твердых тел.
«Помимо непосредственного отношения к микрофлюидике, мы полагаем, что наши открытия однажды могут быть применены для формирования нанокристаллов точной формы», — сказал Танг. У исследователей пока нет способа оказывать на атомы металла такое постоянное давление, которое микрофлюидные чипы могут делать с каплями воды, отделенными от масла.
Соответствующий процесс формовки металла называется экструзией — это также происходит, когда мы нажимаем на широкий конец тюбика с зубной пастой, чтобы нанести мазок на нашу щетку. Если технологи найдут способ вытеснять атомы через канал нанометрового размера, можно представить себе, как атомы движутся по воронке, как и капли воды в микрожидкостном канале.
И если или когда такая наноразмерная экструзия станет возможной с металлическими атомами, этот эксперимент предполагает, что он может быть использован для производства нанопроволок с точностью до одного атома.
«Мы увидели что-то загадочное, мы задали правильные вопросы и узнали кое-что полезное не только для проблемы, которую мы изучаем, но и для совершенно другой области, в данном случае, как можно было бы производить нанокристаллы», — сказал Танг.