¿Alguna vez ha notado que cuando se calienta una película de aceite en una sartén no permanece completamente plana? En lugar de, forma un patrón ondulado que se asemeja al exterior de una naranja. Este tipo de deformaciones inspiró a un grupo de investigadores de la Universidad Técnica de Darmstadt, en Alemania, para explorar si podrían utilizarse para mejorar y agilizar los procesos de microfabricación.

La película de aceite es un ejemplo clásico de un sistema hidrodinámico con una interfaz líquido-gas mientras que, por ejemplo, las diminutas gotas de grasa en la leche tienen una interfaz líquido-líquido. Películas líquidas planas, como la película de aceite, son particularmente inestables mecánicamente y pueden sufrir cambios de morfología si no se mantienen a una temperatura uniforme.

Solo las películas líquidas suficientemente delgadas sufren deformaciones superficiales significativas al exponerse a tensiones en la superficie, mientras que se desarrollan patrones de flujo periódicos muy regulares en la mayor parte de las películas más gruesas cuando se someten a las mismas tensiones.

En marcado contraste con las películas más delgadas, las películas más gruesas no muestran deformaciones superficiales significativas. Entonces, en el contexto del desarrollo de técnicas de microfabricación no convencionales, la mayoría de los esfuerzos se han centrado en las inestabilidades interfaciales de películas muy delgadas.

Estos esfuerzos indicaron que se pueden lograr patrones acentuados, pero, lamentablemente, son muy irregulares en la dirección de propagación de la película. Este inconveniente fundamental se puede rastrear a la misma razón por la que un chorro de agua que sale de un grifo eventualmente se divide en gotas:tensión superficial.

Como describe el grupo en Letras de física aplicada , de AIP Publishing, combinaron el patrón de convección altamente regular que se forma en capas más gruesas con fuertes deformaciones interfaciales posibles solo en películas líquidas mucho más delgadas. "A diferencia de los sistemas de direccionamiento de trabajos anteriores con varias interfaces, en nuestro enfoque, cada capa tiene un grosor inicial muy diferente al de la otra, "dijo Iman Nejati, autor principal del artículo y un Ph.D. estudiante del Instituto de Nano y Microfluídica, Centro de interfaces inteligentes, TU Darmstadt.

Este enfoque consiste esencialmente en intercalar una película delgada de aceite que es sensible a la irradiación con luz ultravioleta (UV) entre un sustrato plano sólido y una capa mucho más gruesa de otro líquido inmiscible. Esto implica que el sistema no solo tiene una interfaz líquido-gas como el ejemplo inicial de la película de aceite en una bandeja, sino también una interfaz líquido-líquido.

"La exposición de este sistema multicapa a una diferencia de temperatura sorprendentemente pequeña en la dirección de las capas provoca tensiones en la interfaz líquido-gas debido a una tensión superficial dependiente de la temperatura, ", dijo Nejati." Estas tensiones impulsan patrones de flujo celular giratorio en la capa más gruesa, que son muy periódicos en la dirección de propagación de esa capa ".

En lugar de utilizar las tensiones causadas por la tensión superficial dependiente de la temperatura directamente para modelar la película, El enfoque del grupo se basa en el patrón de flujo en la capa más gruesa para deformar la película más delgada debajo.

Esta estrategia permite "modelar grandes áreas con estructuras muy regulares de forma paralela —todas las estructuras se fabrican al mismo tiempo— en un solo paso del proceso, lo que ahorra tiempo y reduce costes, ", explicó Nejati." Dado que las estructuras se generan a partir de un líquido, sin herramientas que hagan contacto mecánico con el material de trabajo, la superficie es muy lisa y no requiere ningún procesamiento adicional ".

Y al diseñar la distribución de temperatura a lo largo de la interfaz líquido-gas de la capa más gruesa, las celdas de convección y la deformación de la película delgada se pueden adaptar para cumplir con las especificaciones de una estructura de interés deseada. Una vez lograda la deformación deseada, está "congelado" en su lugar por irradiación con luz ultravioleta.

La combinación de las características ventajosas mencionadas de la nueva técnica es muy deseable porque todas las tecnologías de microfabricación comunes, incluida la fotolitografía, impresión, o gofrado:no cumple con al menos uno de estos criterios. "Dada la relativa simplicidad del equipo necesario para nuestro método, y con qué facilidad se adapta a situaciones específicas, también se puede utilizar para fabricar productos de baja cantidad, "Agregó Nejati.

¿Qué aplicaciones prevé el grupo para su método? Para principiantes, es ideal para fabricar matrices de microlentes. "Estos arreglos mejoran localmente la intensidad de la luz y pueden ser utilizados por la industria óptica en sistemas de imágenes integrales, fotolitografía no convencional, y sistemas fotovoltaicos, "explicó Nejati." Para la energía fotovoltaica, una serie de lentes colocadas sobre una celda solar puede servir como un colector de luz para mejorar la eficiencia del sistema fotovoltaico haciéndolo menos sensible al ángulo de inclinación de la luz solar con respecto a la superficie de la celda ". El método del grupo podría fácilmente ser integrado en el proceso de fabricación de células solares.

En el futuro cercano, "no habrá necesidad directa de solidificar las estructuras con luz ultravioleta, ", señaló." En cambio, la matriz de lentes puede permanecer en estado líquido, lo que nos permite cambiar la periodicidad de las lentes líquidas si, decir, se varía la diferencia de temperatura que impulsa las celdas de convección. Esto debería contribuir al desarrollo de matrices de lentes sintonizables ".