Ученые из Наньянского технологического университета в Сингапуре (NTU Singapore) разработали новый подход к изготовлению усовершенствованных керамических микрочастиц, размер которых немного больше толщины человеческого волоса, вдохновившись древним восточноазиатским методом строительства деревянных конструкций с использованием техники «шип-паз».
Ученые-материаловеды NTU использовали этот подход для создания микрофлюидного чипа, который может производить и формировать крошечные керамические микрочастицы с беспрецедентной сложностью и точностью. Их метод опубликован в Nature Communications.
Эти микрочастицы, имеющие различные сложные формы и точные размеры, такие как десятизубчатые шестерни или треугольники с угловыми краями, могут использоваться в широком спектре приложений в микроэлектронике, аэрокосмической промышленности, энергетике, медицине и машиностроении.
Например, микрочастицы диоксида циркония (ZrO 2 ) тетраэдрической формы (с четырьмя гранями) могут изменять производительность и функционирование терагерцовых излучателей и приемников, которые часто используются в визуализации, например, в целях безопасности, медицинской диагностики и контроля качества на производстве.
Аналогичным образом, микрочастицы диоксида кремния (SiO 2) октаэдрической формы (с восемью гранями) могут повышать прочность и ударную вязкость материалов, в то время как керамические частицы в форме шестеренок необходимы для механических приводов.
Традиционные методы изготовления, такие как микрообработка и лазерное спекание, имеют ограничения по разрешению и возможности массового производства столь мелких и сложных форм.
Современные методы не позволяют получать микрочастицы с острыми краями и непрозрачные микрочастицы из-за свойств материала и малых размеров микрочастиц.
Напротив, подход NTU эффективно решает эти проблемы, используя простой трехэтапный процесс.
Сначала микрофлюидный чип формируется путем формования и разрезания пластиковой подложки на несколько частей, каждая из которых тщательно формируется так, чтобы соответствовать следующей части, образуя полый канал.
Чтобы гарантировать, что части микрофлюидного чипа точно выровнены, каждая из них разработана с язычками и пазами, которые идеально сцепляются. Затем эти части собираются, чтобы создать трубообразную форму, и структура закрепляется с помощью поликарбонатных зажимов, чтобы сохранить ее целостность.
Затем специальный полимерный раствор и керамические наночастицы впрыскиваются в микрофлюидный чип, где они тщательно перемешиваются. Затем эта смесь отверждается с помощью процесса нагрева и сшивается внутри чипа, образуя твердый материал.
Наконец, когда затвердевший материал выдавливается из микрофлюидного чипа — подобно тому, как делают колбасу, — он нарезается на ломтики нужной толщины. Этот шаг гарантирует, что конечный продукт будет соответствовать определенным размерам, требуемым для различных применений.
Этот новый метод значительно увеличивает скорость производства — до 10 раз быстрее, чем существующие методы — и обеспечивает беспрецедентное качество изготавливаемых микрокерамических частиц.
Конструкция микрофлюидного чипа была вдохновлена исторической строительной техникой, известной как «шип-паз», при которой вместо гвоздей или клея используются взаимосвязанные пазы и гребни.
Он использовался для строительства дворцов и резиденций в Древнем Китае еще в 1000 году до нашей эры, использовался в Корее с 14 века для строительства и появляется в японских храмах. Он по-прежнему распространен в традиционном корейском архитектурном стиле «ханок» и использовался при строительстве дворца Кёнбоккун в Сеуле.
Профессор Чо Нам Джун из Школы материаловедения и инженерии NTU, рассказал о том, что вдохновение, лежащее в основе этой технологии, он черпал из своего опыта в области гражданского строительства.
«Наш подход основан на древнем мастерстве, используемом в корейской архитектуре, где издавна использовались точные методы соединения для создания прочных конструкций, которые прослужили века. Как кореец, я задался вопросом, можем ли мы применить эту технику в междисциплинарной науке для создания стабильных и прочных микрочастиц, объединив ее с химией и материаловедением», — объяснил профессор. «Наш новый метод микропроизводства демонстрирует, что он может соответствовать современным требованиям к точности и сложности, поскольку технологии становятся все более миниатюрными, даже на самом сложном микромасштабном уровне».
Этот метод представляет собой значительный прогресс в микромасштабном производстве и служит примером того, как традиционные технологии могут вдохновлять современные технологические инновации.
На следующем этапе исследовательского проекта профессор Чо Нам Джун и его команда работают над сборкой этих недавно разработанных микродеталей в рабочий механизм в качестве доказательства концепции, демонстрирующей разнообразные варианты использования различных типов микромашин.
