Ricercatori presso il Center for Nano Science and Engineering (CeNSE), IISc, hanno sviluppato un basso costo, tecnica di stampa drop-on-demand in grado di generare un'ampia gamma di dimensioni delle gocce utilizzando una varietà di inchiostri. Oltre alla stampa tradizionale, potrebbe anche essere potenzialmente utile per la stampa 3D di cellule viventi, materiali ceramici, circuiti elettronici e componenti di macchine.

Le stampanti attualmente utilizzate, dalle stampanti a getto d'inchiostro alle stampanti biologiche che erogano cellule viventi, hanno un ugello con una piccola apertura per espellere le goccioline. Però, particelle nell'inchiostro o una sospensione cellulare possono ostruire l'apertura, che limita la quantità di particelle o cellule che possono essere caricate inizialmente. Di conseguenza, anche lo spessore dello strato stampabile è limitato.

La nuova tecnica sostituisce l'ugello con una rete ricoperta di nanofili trattati chimicamente che respingono l'acqua. Quando una grossa goccia impatta su questa rete, si riprende. Però, una piccola parte del liquido viene espulsa attraverso il poro della rete come un getto che si rompe per creare una gocciolina in microscala, che viene poi stampato su una superficie.

A causa del breve tempo di contatto della goccia impattante con la rete (circa 10 ms), le particelle nell'inchiostro non hanno la possibilità di ostruire il poro della rete, dicono i ricercatori. Questo ha permesso loro di caricare l'inchiostro con maggiori quantità di nanoparticelle, consentendo la stampa di linee molto spesse in un unico ciclo. La rete può anche essere facilmente pulita e riutilizzata.

"La rete costa solo una piccola frazione degli ugelli che sostituisce. Ciò riduce significativamente i costi operativi rispetto alle tecniche di stampa convenzionali, "dice Prosenjit Sen, Professore Associato al CeNSE e autore senior dello studio pubblicato su Comunicazioni sulla natura .

Sen e il suo laboratorio hanno lavorato allo sviluppo di superfici nanostrutturate in grado di respingere l'acqua. Quando gocce di grandi dimensioni colpiscono maglie nanostrutturate ad alta velocità, i getti vengono espulsi. Studiando questo fenomeno, i ricercatori hanno scoperto che la velocità del getto espulso era sorprendentemente superiore alla velocità della gocciolina impattante.

"Questo è stato il primo indizio che qualche meccanismo stava giocando un ruolo nel focalizzare l'energia cinetica, "dice Chandantaru Dey Modak, primo autore e dottorato di ricerca. studente presso CeNSE. "A questo punto, abbiamo iniziato a porci le seguenti domande:cos'è questo meccanismo di focalizzazione? Questo meccanismo può essere sfruttato per generare in modo affidabile singole goccioline su microscala?"

Il team ha catturato video ad alta velocità (50, 000 a 80, 000 fotogrammi al secondo) di queste goccioline impattanti, e scoprì che si stava formando una cavità d'aria al centro della gocciolina. Durante la fase di rinculo dell'impatto, questa cavità è crollata, concentrando tutta l'energia cinetica in un unico punto, con conseguente generazione di goccioline individuali. Non sono state generate goccioline "satellite" ‒ goccioline secondarie che provocano una dispersione indesiderata ‒. La dimensione delle goccioline espulse potrebbe anche essere modificata regolando la dimensione dei pori della rete.

I ricercatori sono stati in grado di dimostrare l'uso di questa tecnica per varie applicazioni. "Utilizzando la stampa a impatto di goccia, potremmo stampare pilastri 3D di diverse dimensioni, un circuito elettronico per applicazioni di dispositivi a semiconduttore, e array di goccioline a base biologica per la coltura cellulare, " afferma Modak. "La capacità di stampare un'ampia gamma di dimensioni delle gocce utilizzando diversi tipi di inchiostri per diverse applicazioni rende questa tecnica unica".