Se necesitarán nuevas antenas para acceder a rangos de frecuencia cada vez más altos para la próxima generación de teléfonos y dispositivos inalámbricos. Una forma de hacer antenas que funcionen a decenas de gigahercios, las frecuencias necesarias para dispositivos 5G y superiores, es trenzar filamentos de aproximadamente 1 micrómetro de diámetro. Sin embargo, las técnicas de fabricación industrial actuales no funcionan con fibras tan pequeñas.
“Fue un momento de alegría cuando, en nuestro primer intento, cruzamos dos fibras usando solo una pieza de plástico, un tanque de agua y un escenario que se mueve hacia arriba y hacia abajo”.
Ahora, un equipo de ingenieros y científicos de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas John A. Paulson de Harvard (SEAS) ha desarrollado una máquina simple que utiliza la tensión superficial del agua para agarrar y manipular objetos microscópicos. Esta notable innovación ofrece una herramienta potencialmente poderosa para la fabricación nanoscópica.
«Nuestro trabajo ofrece una forma potencialmente económica de fabricar materiales microestructurados y posiblemente nanoestructurados», dijo Vinothan Manoharan, profesor de ingeniería química y profesor de física de la familia Wagner en SEAS y autor principal del artículo. “A diferencia de otros métodos de micromanipulación, como las pinzas láser, nuestras máquinas se pueden fabricar fácilmente. Usamos un tanque de agua y una impresora 3D, como las que se encuentran en muchas bibliotecas públicas”.
La máquina es un rectángulo de plástico impreso en 3D que tiene aproximadamente el tamaño de un viejo cartucho de Nintendo. El interior del dispositivo está tallado con canales que se cruzan. Cada canal tiene secciones anchas y angostas, como un río que se ensancha en algunas partes y se estrecha en otras. Las paredes del canal son hidrófilas, lo que significa que atraen agua.
A través de una serie de simulaciones y experimentos, los científicos descubrieron que cuando sumergieron el dispositivo en agua y colocaron un flotador de plástico del tamaño de un milímetro en el canal, la tensión superficial del agua hizo que la pared repeliera el flotador. Si el flotador estaba en una sección estrecha del canal, se movía a una sección ancha, donde podía flotar lo más lejos posible de las paredes.
Una vez en una sección ancha del canal, el flotador quedaría atrapado en el centro, sostenido por las fuerzas repulsivas entre las paredes y el flotador. A medida que el dispositivo se saca del agua, las fuerzas de repulsión cambian a medida que cambia la forma del canal. Si el flotador estaba en un canal ancho para comenzar, es posible que se encuentre en un canal angosto cuando el nivel del agua baje y deba moverse hacia la izquierda o hacia la derecha para encontrar un lugar más ancho.
“El momento eureka llegó cuando descubrimos que podíamos mover los objetos cambiando la sección transversal de nuestros canales de captura”, dijo Maya Faaborg, asociada de SEAS y coautora del artículo.
“Lo sorprendente de la tensión superficial es que produce fuerzas lo suficientemente suaves como para agarrar objetos diminutos, incluso con una máquina lo suficientemente grande como para caber en la mano”.
Luego, los investigadores unieron fibras microscópicas a los flotadores. A medida que cambiaba el nivel del agua y los flotadores se movían hacia la izquierda o hacia la derecha dentro de los canales, las fibras se enroscaban entre sí.
“Fue un momento de alegría cuando, en nuestro primer intento, cruzamos dos fibras usando solo una pieza de plástico, un tanque de agua y un escenario que se mueve hacia arriba y hacia abajo”, dijo Faaborg.
Luego, el equipo agregó un tercer flotador con una fibra y diseñó una serie de canales para mover los flotadores en un patrón trenzado. Trenzaron con éxito fibras a escala micrométrica del material sintético Kevlar. La trenza era como una trenza de cabello tradicional de tres hilos, excepto que cada fibra era 10 veces más pequeña que un solo cabello humano.
A continuación, los investigadores demostraron que los propios flotadores podían ser microscópicos. Construyeron máquinas que podían atrapar y mover partículas coloidales de 10 micrómetros de tamaño, aunque las máquinas eran mil veces más grandes.
“No estábamos seguros de que funcionaría, pero nuestros cálculos mostraron que era posible”, dijo Ahmed Sherif, estudiante de doctorado en SEAS y coautor del artículo. “Así que lo intentamos y funcionó. Lo sorprendente de la tensión superficial es que produce fuerzas que son lo suficientemente suaves como para agarrar objetos diminutos, incluso con una máquina lo suficientemente grande como para caber en tu mano”.
A continuación, el equipo tiene como objetivo diseñar dispositivos que puedan manipular simultáneamente muchas fibras, con el objetivo de fabricar conductores de alta frecuencia. También planean diseñar otras máquinas para aplicaciones de microfabricación, como materiales de construcción para dispositivos ópticos a partir de microesferas.
