Chercheurs du Center for Nano Science and Engineering (CeNSE), IISc, ont développé un low-cost, technique d'impression à la demande capable de générer une large gamme de tailles de gouttelettes en utilisant une variété d'encres. Outre l'impression traditionnelle, il pourrait aussi potentiellement être utile pour l'impression 3D de cellules vivantes, matériaux céramiques, circuits électroniques et composants de machines.

Les imprimantes utilisées actuellement - des imprimantes à jet d'encre aux bio-imprimantes qui distribuent des cellules vivantes - ont une buse avec une petite ouverture pour éjecter les gouttelettes. Cependant, des particules dans l'encre ou une suspension cellulaire peuvent boucher l'ouverture, ce qui limite la quantité de particules ou de cellules qui peuvent être chargées initialement. Par conséquent, l'épaisseur de la couche imprimable est également limitée.

La nouvelle technique remplace la buse par un maillage recouvert de nanofils traités chimiquement qui repoussent l'eau. Lorsqu'une grosse gouttelette impacte ce maillage, ça rebondit. Cependant, une petite partie du liquide est éjectée à travers le pore de la maille sous la forme d'un jet qui se brise pour créer une gouttelette à micro-échelle, qui est ensuite imprimé sur une surface.

En raison du temps de contact court de la goutte impactante avec le maillage (environ 10 ms), les particules dans l'encre n'ont pas la chance d'obstruer les pores du maillage, disent les chercheurs. Cela leur a permis de charger l'encre avec de plus grandes quantités de nanoparticules, permettant l'impression de lignes très épaisses en un seul cycle. La maille peut également être facilement nettoyée et réutilisée.

"Le maillage ne coûte qu'une petite fraction des buses qu'il remplace. Cela réduit considérablement le coût d'exploitation par rapport aux techniques d'impression conventionnelles, " dit Prosenjit Sen, Professeur agrégé au CeNSE et auteur principal de l'étude publiée dans Communication Nature .

Sen et son laboratoire ont travaillé sur le développement de surfaces nanostructurées capables de repousser l'eau. Lorsque de grosses gouttelettes frappent de tels maillages nanostructurés à grande vitesse, les jets sont éjectés. En étudiant ce phénomène, les chercheurs ont découvert que la vitesse du jet éjecté était étonnamment plus élevée que la vitesse de la gouttelette impactante.

"C'était le premier indice qu'un mécanisme jouait un rôle dans la focalisation de l'énergie cinétique, " dit Chandantaru Dey Modak, premier auteur et Ph.D. étudiant au CeNSE. "À ce point, nous avons commencé à nous poser les questions suivantes :Quel est ce mécanisme de focalisation ? Ce mécanisme peut-il être exploité pour générer de manière fiable des gouttelettes microscopiques uniques ? »

L'équipe a capturé des vidéos à haute vitesse (50, 000 à 80, 000 images par seconde) de ces gouttelettes impactantes, et a constaté qu'une cavité d'air se formait au centre de la gouttelette. Pendant la phase de recul de l'impact, cette cavité s'est effondrée, concentrant toute l'énergie cinétique en un seul point, entraînant la génération de gouttelettes individuelles. Aucune gouttelette "satellite" (gouttelettes secondaires entraînant une diffusion indésirable) n'a été générée. La taille des gouttelettes éjectées pourrait également être modifiée en ajustant la taille des pores du maillage.

Les chercheurs ont pu démontrer l'utilisation de cette technique pour diverses applications. "En utilisant l'impression par impact de goutte, nous pourrions imprimer des piliers 3D de différentes tailles, un circuit électronique pour des applications de dispositifs semi-conducteurs, et des réseaux de gouttelettes biosourcés pour la culture cellulaire, " dit Modak. " La capacité d'imprimer une large gamme de tailles de gouttelettes tout en utilisant différents types d'encres pour différentes applications rend cette technique unique. "