En kavitations-på-en-chip-enhed med en konfiguration med flere mikrokanaler

Hydrodynamisk kavitation er et væsentligt faseændringsfænomen, der kan forekomme med et pludseligt fald i det lokale statiske tryk i en væske. Fremkomsten af ​​mikroelektromekaniske systemer (MEMS) og højhastighedsmikrofluidiske enheder har tiltrukket sig betydelig opmærksomhed med implementeringer på mange områder, herunder kavitationsapplikationer. I en ny undersøgelse nu på Natur:Mikrosystemer og nanoteknik , Farzad Rokhsar Talabazar og kolleger i Istanbul, Tyrkiet, Sverige og Schweiz foreslog en ny generation af kavitations-på-en-chip-enheder med otte parallelle strukturerede mikrokanaler. Holdet brugte vand og en polyvinylalkohol (PVA) mikroboblesuspension som arbejdsvæsker i enheden. Funktionerne i næste generations kavitation-på-en-chip-instrument har applikationer på tværs af mikrofluidiske eller organ-på-en-chip-enheder til integreret lægemiddelfrigivelse og vævsteknologiske applikationer.

Hydrodynamisk kavitation

Hydrodynamisk kavitation (HC) er et faseændringsfænomen, der involverer en væske og begynder, når det statiske tryk falder til en kritisk værdi kendt som mætningsdamptrykket. Fænomenet inkluderer progressiv fordampning for generationen, vækst og implosion af bobler. For eksempel, der kan dannes små bobler i lavtrykszoner, typisk ved indgangen til et strømningsbegrænsende element, hvor inerti-kavitationsbobler kan vokse i en successiv cyklus, indtil de når et højtryksområde. Kavitation er et uønsket fænomen, og de fleste undersøgelser af kavitationens fysik har til formål at forhindre eller mindske det. Forskere sigter mod at designe og fremstille mikrofluidiske enheder, der er i stand til at generere kavitationsbobler. I dette arbejde, Talabazar et al. bestemt det praktiske ved kavitation-på-en-chip-konceptet til at generere kaviterende strømme ved lavere opstrømstryk, at udforske deres evne til mikrosystemapplikationer. Til dette formål, Talabazar et al. designet en ny mikrofluidisk enhed med otte korte, parallelle mikrokanaler som en næste generation af kavitation-på-en-chip-enhed. De bemærkede effekten af ​​polyvinylalkohol (PVA) mikrobobler som en kavitationsfacilitator på kavitationsstart og udvikling. Resultaterne beviste enhedens høje ydeevne til opstart af kavitation og nye applikationer.

Holdet inkorporerede en mikroenhed med parallelle strømningsbegrænsende elementer, hvor den mikrofluidiske enhed indeholdt en indløbskanal til væskeføring ind i indløbskammeret. Indløbskammeret indeholdt en lang sektion for at tillade forbigående kaotisk strømning at forsvinde, før væsken kom ind i dyseområdet. Holdet leverede det ønskede indløbstryk til systemet ved hjælp af en højtryksnitrogentank fra toppen af ​​en stålvæskebeholder. Brug derefter et billedbehandlingssystem, de erhvervede billeder inden for meget korte tidsintervaller. Under forsøgene, Talabazar et al. brugt to arbejdsvæsker med forskellige indløbstryk fra 0,2 til 1,1 MPa. Resultaterne fremhævede en ny generation af kavitation-på-en-chip mikrofluidisk enhed. Holdet fik enheden til at fungere med vand- og polyvinylalkohol-mikroboblevand-alikvoter. Proof-of-concept-undersøgelsen fremhævede, hvordan den effektive multifunktionelle reaktor kan forklares i praksis. Forskerne beskrev kavitationsprocessen baseret på parametre målt fra den nævnte open-loop eksperimentelle opsætning og opnåede udviklede arkkaviterende strømningsforhold ved et lavere Reynolds-tal under laminære strømningsforhold.

Mikrobobledynamik

Sammenlignet med betingelserne for indledning af kavitation, kavitationsstrømningsforholdene viste hurtigere væksthastigheder af mikrobobler, hvor mikroboblestørrelsen steg ved høje opstrømstryk. Mikroboblerne kan også udvide sig ud over en kritisk radius, sammenlignet med kavitationsbobler. Tidligere undersøgelser af ultralydskavitation rapporterede desuden, at mikrobobler nåede maksimal ekspansion ved et maksimalt negativt transmissionstryk for derefter at gennemgå øjeblikkelig kompression. Under hydrodynamisk kavitation, mikrobobler udvidet med et pludseligt fald i tryk for at demonstrere mikroboblernes dynamik i forsøgsopstillingen; for at demonstrere dette, Talabazar et al. brugte den modificerede Rayleigh-Plesset-ligning. Især mikrobobleskallegenskaben udgjorde en vigtig parameter for at give tilstrækkelig stivhed til at forhindre gasbobleopløsning. Som en konsekvens, holdet bemærkede, at de viskoelastiske egenskaber af polyvinylalkohol-mikrobobler bibeholdt en væsentlig rolle for stabilisering efter hydrodynamisk kavitation. Resultaterne afslørede desuden, hvordan mikroboblestørrelsen spillede en dominerende rolle for begyndelsen og intensiveringen af ​​kavitationsprocessen ved at give flere nukleationssteder til boblevækst.

Outlook

På denne måde Farzad Rokhsar Talabazar og kolleger udtænkte en ny generation 'kavitation-på-en-chip'-enhed, der rummer otte parallelle strukturerede korte mikrokanaler. Det nye design reducerede opstrømstrykket for at starte hydrodynamisk kavitation. Den foreslåede opsætning tillod dannelsen af ​​forskellige kaviterende strømningsregimer ved et konstant opstrømstryk i state-of-the-art enheder. Det beskrevne instrument kan give kaviterende strømningsmønstre med samme intensitet ved en lavere inputenergi. Enhedens geometri og dens udviklende kaviterende strømningsregimer er hurtigere og nemmere for eksisterende mikroenheder.

Holdet brugte to arbejdsvæsker - vand og polyvinylalkohol mikroboblesuspensioner under eksperimenterne, og mikroboblerne tilvejebragte flere kernedannelsessteder for at lette starten ved et væsentligt lavere opstrømstryk for polyvinylalkoholmikroboblerne sammenlignet med vand. De nye kavitationsstrømme kan udvikle sig hurtigere, og den foreslåede 'kavitation-på-en-chip'-enhed har et højere potentiale på tværs af flere applikationer, der involverer mikrofluidisk enheder til integreret lægemiddelfrigivelse og vævstekniske applikationer.

© 2021 Science X Network