简单的机器可能为更强大的手机和WIFI铺平道路

一个3d打印的装置在一个水箱里编织纳米线和移动微粒。

下一代手机和无线设备将需要新的天线来访问越来越高的频率范围。让天线工作在几十千兆赫——5G和更高设备所需的频率——的一种方法是编织直径约1微米的细丝。但今天的工业加工技术无法加工那么小的纤维。

现在，来自哈佛大学约翰·a·保尔森工程与应用科学学院(SEAS)的一组研究人员开发了一种简单的机器，它利用水的表面张力来抓取和操纵微观物体，为纳米制造提供了一个潜在的强大工具。

这项研究发表在自然．

“我们的工作提供了一种潜在的廉价方法来制造微结构和可能的纳米结构材料，”Vinothan Manoharan说，他是化学工程瓦格纳家族教授和SEAS的物理学教授，也是这篇论文的高级作者。“与激光镊子等其他微操作方法不同，我们的机器很容易制造。我们使用一箱水和一台3D打印机，就像许多公共图书馆里的打印机一样。”

这台机器是一个3d打印的长方形塑料，大小和老任天堂的卡带差不多。装置的内部雕刻有交叉的通道。每条海峡都有宽和窄的部分，就像一条河，有的部分扩张，有的部分变窄。通道壁是亲水的，这意味着它们能吸引水。

通过一系列的模拟和实验，研究人员发现，当他们将设备浸入水中，并在通道中放置一个毫米大小的塑料浮子时，水的表面张力导致墙壁排斥浮子。如果漂浮物在通道的窄段，它就会移动到宽段，在那里它可以漂浮到离墙尽可能远的地方。

一旦进入通道的较宽区域，浮子就会被困在中心，被墙壁和浮子之间的排斥力固定住。当设备被抬出水面时，排斥力会随着通道形状的改变而改变。如果浮子在一个较宽的通道中启动，当水位下降时，它可能会发现自己在一个较窄的通道中，需要向左或向右移动以找到一个较宽的点。

“当我们发现我们可以通过改变捕获通道的横截面来移动物体时，灵光一现，”SEAS的一名助理、该论文的共同第一作者玛雅·法博格(Maya Faaborg)说。

然后，研究人员将微观纤维附着在浮子上。当水位变化，浮子在通道内向左或向右移动时，纤维就会相互缠绕。

法博格说:“当我们第一次尝试时，我们只用一块塑料、一个水箱和一个上下移动的平台就跨越了两种纤维，这是一个激动人心的时刻。”

然后，该团队添加了第三个带有纤维的浮子，并设计了一系列通道，以编织模式移动浮子。他们成功地将合成材料凯夫拉纤维编织成微米级的纤维。这种辫子就像传统的三股发辫，只是每根纤维比一根头发小10倍。

研究人员随后表明，浮体本身可以是微观的。他们制造了能够捕捉和移动10微米大小的胶体粒子的机器——尽管这些机器要大1000倍。

“我们不确定它是否会起作用，但我们的计算表明这是可能的，”该论文的合著者、SEAS的博士生艾哈迈德·谢里夫(Ahmed Sherif)说。“所以我们试了一下，效果不错。表面张力的神奇之处在于，它产生的力量足够温和，可以抓住微小的物体，即使是一个大到可以握在手里的机器。”

接下来，该团队的目标是设计可以同时操纵多种纤维的设备，目标是制造高频导体。他们还计划为微制造应用设计其他机器，比如用微球制作光学器件的建筑材料。

这项研究是由Cheng Zeng, Ahmed Sherif, Martin J. Falk, Rozhin Hajian, Ming Xiao, Kara Hartig, Yohai Bar-Sinai和Michael Brenner共同撰写的，Michael F. Cronin应用数学和应用物理学教授和SEAS的物理学教授。该项目部分由美国国防高级研究计划局(DARPA)支持，资助金额为FA8650-15-C-7543;国家科学基金会通过哈佛大学材料研究科学与工程中心，获得DMR-2011754和ECCS-1541959拨款;海军研究办公室根据N00014-17-1-3029拨款。

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利亚洞穴
哈佛大学John A. Paulson工程与应用科学学院
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