Wenn es nicht in einem Behälter aufbewahrt wird, spritzt, tropft und sickert Flüssigkeit. Sie wandeln sich in Form von Pfützen und Bächen in ihre Umgebung, die sich größtenteils der menschlichen Kontrolle entziehen.
Lauren Zarzar versucht, gehorsamere Flüssigkeiten herzustellen. Zarzar, Materialwissenschaftlerin an der Pennsylvania State University, entwirft Flüssigkeiten, die sie zähmen kann - Flüssigkeiten, die sich auf Befehl bewegen oder ihre Form ändern. Dies kann bedeuten, dass ein Wasserröhrchen in einer zweiten Flüssigkeit seine Form beibehält oder dass sich ein Tropfen bei Auslösung durch Licht in zwei verschiedene Öle trennt. Am ehrgeizigsten könnten diese Flüssigkeiten sogar zu elektronischen Schaltungskomponenten werden. Forscher haben bereits vollständig flüssige Drähte und Antennen hergestellt.
Zarzar arbeitet mit winzigen Tröpfchen, die etwa einen Zehntel Millimeter groß sind. Diese Tröpfchen bestehen aus zwei Arten von Öl, eine in der anderen, wie Karamell in Schokolade. Wenn sie die Temperatur der Umgebung des Tröpfchens ändert, kann sie das Tröpfchen von innen nach außen drehen.
Sie sind sich nicht sicher, was sie mit den Tröpfchen machen wollen, aber Zarzar stellt sich vor, dass Sie sie verwenden könnten, um chemische Reaktionen auszulösen: Platzieren Sie einen Katalysator in einigen Tröpfchen, werfen Sie sie in einen Behälter mit Reaktanten und wann die Reaktion beginnen soll drehen Sie die Tröpfchen einfach um. Oder sie denkt, sie könnten zu Flüssiglinsen für eine mikroskopische Kamera verarbeitet werden, die ihren Fokus durch Morphing in Echtzeit ändern.
Die Anwendungen erfassen jedoch nicht den kreativen Wandel, den Materialwissenschaftler derzeit in Bezug auf Flüssigkeiten vollziehen. „Wenn Menschen an eine Flüssigkeit denken, denken sie an eine Chemikalie in einer Flasche, die nichts bewirkt“, sagt Zarzar. „Wir denken über Flüssigkeit als Material nach und darüber, wie wir dessen Struktur und Anpassungsfähigkeit nutzen können.“
Ein Ziel ist es, Flüssigkeiten zu entwickeln, die ohne Behälter oder Formen eine individuelle Form behalten. Zu diesem Zweck haben der Materialwissenschaftler Tom Russell und seine Kollegen vom Lawrence Berkeley National Laboratory einen 3D-Drucker modifiziert, um eine Vielzahl von All-Liquid-Strukturen herzustellen. Mit einer am Drucker angebrachten Spritze können sie Wasserspiralen in ein umgebendes Gewässer injizieren. Die Spiralen behalten ihre Form, weil der Drucker Nanopartikel einspritzt, die eine extrem dünne Membran um die Struktur bilden. Es ist fast so, als würde man Rauchringe blasen, außer in Flüssigkeit. "Wir können eine Tube Flüssigkeit in einer anderen drucken", sagt Russell.
Mit diesem Drucker hat sein Kollege Brett Helms, ein Chemiker, eine Flüssigkeit mit einer internen Gefäßstruktur hergestellt. Die Flüssigkeit sitzt auf einem Objektträger wie eine kleine Pfütze, durch die ein Kanal fließt, der von einer Nanopartikelmembran abgestützt wird.
Um diese strukturierte Flüssigkeit herzustellen, haben Helms und seine Mitarbeiter zunächst den Objektträger mit einem Muster aus wasserabweisendem Kunststoff beschichtet, das die Form des Kanals bestimmt. Anschließend setzen sie mit dem 3D-Drucker zwei Flüssigkeiten auf dem Objektträger ab, die jeweils eine andere Art von Nanopartikeln enthalten. Dort, wo sich die Nanopartikel treffen, bilden sie eine Membran, so dass sich in der Flüssigkeit ein stabiler Kanal bilden kann. Mit diesen rein flüssigen Strukturen wollen sie untersuchen, wie chemische Reaktionen ablaufen, sagt Helms. Durch Ändern der Geometrie des Kanals können sie beispielsweise steuern, wie schnell chemische Reaktionen ablaufen. Dadurch können sie möglicherweise den Prozess verlangsamen, um die Dynamik von Molekülen genauer zu beobachten.
Die Nanopartikel stabilisieren die Gefäßstruktur durch einen Effekt, der auch beim Salatdressing zu beobachten ist. Beim Mischen einer Vinaigrette entstehen in Öl suspendierte Essigtröpfchen. Mit der Zeit vereinigen sich die Essigtröpfchen und scheiden sich vom Öl ab. Wenn Sie jedoch dem Dressing Partikel wie schwarzen Pfeffer hinzufügen, bleiben die Essigtröpfchen länger suspendiert. "Alle Kräuter gelangen an die Grenzfläche zwischen Öl und Essig und stabilisieren die Tröpfchen", sagt Russell. "In gewisser Hinsicht ist es das, was wir tun."
Die Forscher nutzen auch dieselben chemischen Prinzipien, die Seifenblasen ermöglichen. Um einen Wassertropfen in eine Blase zu strecken, fügen Sie Seife hinzu. Die Seife verringert die Wahrscheinlichkeit, dass Wasser zu einem Tropfen verschmilzt, was auch als Verringerung der Oberflächenspannung bezeichnet wird. In ähnlicher Weise fügen die Forscher den Tröpfchen seifenartige Partikel hinzu, die als Tenside bekannt sind, um sie formbar zu machen. „Wir machen Flüssigkeiten zu Formen, die normalerweise von der Schwerkraft und der Oberflächenspannung nicht zugelassen werden“, sagt Michael Dickey, Chemieingenieur an der North Carolina State University.
Dickey arbeitet mit flüssigen Metallen - Legierungen von Gallium und Indium, die bei Raumtemperatur wie Quecksilber fließen, jedoch ohne die Toxizität. Um diese Flüssigkeiten zu formen, legt er sie in eine Salzlösung und legt eine Spannung an das Metall an. Die Spannung löst eine chemische Reaktion aus und erzeugt seifenartige Moleküle, die die Oberflächenspannung des Metalls verändern.
Er glaubt, dass diese Metalle als Komponenten in der flexiblen, tragbaren Elektronik nützlich sein könnten. Darüber hinaus kann sich die flüssige Elektronik von selbst heilen: Schneiden Sie einen Flüssigkeitsdraht ab, und Sie können die beiden Enden zueinander fließen lassen, um sie wieder anzubringen.
