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  • Un dispositivo de cavitación en un chip con una configuración de múltiples microcanales

    Esquema de la disposición multicanal en paralelo (dispuesta en cascada). (a) Configuración general del dispositivo, (b) manifestación de rugosidad de la pared lateral, y (c) salidas de los microcanales paralelos. Crédito: Microsistemas naturales y nanoingeniería , doi:10.1038 / s41378-021-00270-1

    La cavitación hidrodinámica es un fenómeno de cambio de fase importante que puede ocurrir con una disminución repentina de la presión estática local dentro de un fluido. La aparición de sistemas microelectromecánicos (MEMS) y dispositivos de microfluidos de alta velocidad han atraído una atención considerable con implementaciones en muchos campos, incluidas las aplicaciones de cavitación. En un nuevo estudio ahora en Naturaleza:microsistemas y nanoingeniería , Farzad Rokhsar Talabazar y colegas en Estambul Turquía, Suecia y Suiza propusieron una nueva generación de dispositivos de cavitación en un chip con ocho microcanales estructurados en paralelo. El equipo utilizó agua y una suspensión de microburbujas de poli (alcohol vinílico) (PVA) como fluidos de trabajo en el dispositivo. Las características del instrumento de cavitación en un chip de próxima generación tienen aplicaciones en dispositivos de microfluidos o de órgano en un chip para aplicaciones integradas de liberación de fármacos e ingeniería de tejidos.

    Cavitación hidrodinámica

    La cavitación hidrodinámica (HC) es un fenómeno de cambio de fase que involucra a un líquido y comienza cuando la presión estática cae a un valor crítico conocido como presión de vapor de saturación. El fenómeno incluye la vaporización progresiva para la generación, crecimiento e implosión de burbujas. Por ejemplo, se pueden formar pequeñas burbujas en las zonas de baja presión, típicamente en la entrada de un elemento restrictivo de flujo donde las burbujas de cavitación inercial pueden crecer en un ciclo sucesivo hasta que alcanzan un área de alta presión. La cavitación es un fenómeno indeseable y la mayoría de los estudios sobre la física de la cavitación tienen como objetivo prevenirla o disminuirla. Los investigadores tienen como objetivo diseñar y fabricar dispositivos de microfluidos capaces de generar burbujas de cavitación. En este trabajo, Talabazar y col. determinó la practicidad del concepto de cavitación en un chip para generar flujos de cavitación a presiones aguas arriba más bajas, para explorar su capacidad para aplicaciones de microsistemas. Para este propósito, Talabazar y col. diseñó un nuevo dispositivo de microfluidos con ocho cortos, microcanales paralelos como un dispositivo de cavitación en un chip de próxima generación. Observaron el efecto de las microburbujas de alcohol polivinílico (PVA) como facilitadores de la cavitación en el inicio y desarrollo de la cavitación. Los resultados demostraron el alto rendimiento del dispositivo para el inicio de la cavitación y aplicaciones emergentes.

    Flujo del proceso de fabricación del dispositivo microfluídico. (a) Fundición fotorresistente sobre una oblea recubierta de dióxido de silicio. (b) Litografía sin máscara para diseño de canales. (c) grabado con SiO2, (d) resistir el pelado, (e) segunda litografía para abrir los puertos de entrada-salida y de presión. (f) DRIE para grabado de Si. (g) Decapado fotorresistente. (h) Recubrimiento de Ti y Al para proteger la oblea, así como el grabado y segundo DRIE para grabar a través de la oblea para abrir entradas, puntos de venta y puertos de presión. (i) Grabado en húmedo de Al. (j) Grabado en húmedo de Ti. (k) Ataque húmedo de SiO2. (l) Unión anódica del sustrato al vidrio después de grabar completamente la capa de dióxido de silicio. Crédito: Microsistemas naturales y nanoingeniería , doi:10.1038 / s41378-021-00270-1

    Diseño y configuración del dispositivo microfluídico

    El equipo incorporó un microdispositivo con elementos restrictivos de flujo paralelo donde el dispositivo de microfluidos contenía un canal de entrada para guiar el fluido hacia la cámara de entrada. La cámara de entrada contenía una sección larga para permitir que el flujo caótico transitorio desapareciera antes de que el fluido entrara en el área de la boquilla. El equipo suministró la presión de entrada deseada al sistema utilizando un tanque de nitrógeno de alta presión desde la parte superior de un recipiente de líquido de acero. Luego, usando un sistema de imágenes, adquirieron imágenes en intervalos de tiempo muy cortos. Durante los experimentos, Talabazar y col. utilizó dos fluidos de trabajo con diferentes presiones de entrada de 0,2 a 1,1 MPa. Los resultados destacaron un dispositivo de microfluidos de cavitación en un chip de nueva generación. El equipo hizo que el dispositivo funcionara con agua y alícuotas de agua y microburbujas de alcohol polivinílico. El estudio de prueba de concepto destacó cómo se puede explicar en la práctica el reactor multifuncional eficiente. Los científicos describieron el proceso de cavitación basándose en parámetros medidos a partir de la configuración experimental de circuito abierto mencionada y lograron condiciones de flujo de cavitación de hoja desarrollada a un número de Reynolds más bajo en condiciones de flujo laminar.

    • Instalación experimental de cavitación hidrodinámica (HC). Visualización de los flujos de cavitación y el paquete utilizado para asegurar y sellar el dispositivo de microfluidos. Crédito: Microsistemas naturales y nanoingeniería , doi:10.1038 / s41378-021-00270-1

    • Descripción general de la aparición de cavitación. Se han formado diferentes patrones de flujo de cavitación dentro de la configuración de múltiples microcanales paralelos a Pi =1,1 MPa. Crédito: Microsistemas naturales y nanoingeniería , doi:10.1038 / s41378-021-00270-1

    Dinámica de microburbujas

    En comparación con las condiciones iniciales de cavitación, las condiciones de flujo de cavitación mostraron tasas de crecimiento más rápidas de microburbujas, donde el tamaño de las microburbujas aumentaba a altas presiones aguas arriba. Las microburbujas también podrían expandirse más allá de un radio crítico, en comparación con las burbujas de cavitación. Estudios previos sobre la cavitación por ultrasonido también informaron que las microburbujas alcanzaron la expansión máxima a una presión de transmisión negativa máxima para luego someterse a una compresión inmediata. Durante la cavitación hidrodinámica, las microburbujas se expandieron con una disminución repentina de la presión para demostrar la dinámica de las microburbujas en la configuración experimental; para demostrar esto, Talabazar y col. utilizó la ecuación de Rayleigh-Plesset modificada. Notablemente, la propiedad de la cubierta de microburbujas formó un parámetro principal para proporcionar suficiente rigidez para evitar la disolución de las burbujas de gas. Como consecuencia, el equipo observó que las propiedades viscoelásticas de las microburbujas de alcohol polivinílico mantuvieron un papel importante para estabilizarse después de la cavitación hidrodinámica. Los resultados revelaron además cómo el tamaño de las microburbujas jugó un papel dominante para el inicio y la intensificación del proceso de cavitación al proporcionar más sitios de nucleación para el crecimiento de las burbujas.

    Efecto de la cavidad hidrodinámica sobre el diámetro de PVA MB. Crédito: Microsistemas naturales y nanoingeniería , doi:10.1038 / s41378-021-00270-1

    panorama

    De este modo, Farzad Rokhsar Talabazar y sus colegas idearon un dispositivo de "cavitación en un chip" de nueva generación que aloja ocho microcanales cortos estructurados en paralelo. El nuevo diseño disminuyó la presión aguas arriba para iniciar la cavitación hidrodinámica. La configuración propuesta permitió la formación de diversos regímenes de flujo de cavitación a una presión constante aguas arriba en dispositivos de última generación. El instrumento descrito puede proporcionar patrones de flujo de cavitación con la misma intensidad a una energía de entrada más baja. La geometría del dispositivo y sus regímenes de flujo de cavitación en evolución son más rápidos y fáciles para los microdispositivos existentes.

    El equipo utilizó dos fluidos de trabajo:agua y suspensiones de microburbujas de alcohol polivinílico durante los experimentos. y las microburbujas proporcionaron más sitios de nucleación para facilitar el inicio a una presión aguas arriba significativamente más baja para las microburbujas de alcohol polivinílico en comparación con el agua. Los flujos de cavitación emergentes pueden desarrollarse más rápido y el dispositivo de 'cavitación en un chip' propuesto tiene un mayor potencial en múltiples aplicaciones que involucran dispositivos de microfluidos para aplicaciones integradas de liberación de fármacos e ingeniería de tejidos.

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