La fabricación de semiconductores y muchas otras operaciones industriales implican procesos de limpieza, y desde perspectivas ambientales y de salud, Se ha vuelto muy deseable utilizar técnicas de limpieza física como chorros de líquidos o ultrasonido subacuático en lugar de productos químicos tóxicos.
Asombrosamente, Los investigadores especializados en ingeniería mecánica no han prestado mucha atención a los problemas de limpieza física. Pero ahora, ingenieros mecánicos especializados en el mecanismo del movimiento de fluidos en la Universidad de Keio, en Japón, han revelado la física subyacente de lo que sucede cuando las colisiones de chorros de líquido golpean superficies que deben limpiarse.
Para hacer esto, los ingenieros utilizaron una simulación de dinámica de fluidos para estudiar el impacto de las gotas de agua contra una pared rígida seca / húmeda como ejemplo canónico. Reportan su trabajo en la revista Física de fluidos .
"En la fabricación de semiconductores, las partículas contaminantes de menor tamaño deben eliminarse de las obleas de silicio a medida que los dispositivos se miniaturizan aún más, "dijo Keita Ando, profesor asistente de ingeniería mecánica en la Universidad de Keio. "El impacto de gotas de alta velocidad se ve favorecido cuando se trata de eliminar partículas de tamaños muy pequeños, del orden de 10 nanómetros, pero puede causar erosión de la superficie".
Por tanto, es necesario considerar los efectos tanto de la viscosidad como de la compresibilidad del fluido en la dinámica del impacto. "El fluido es viscoso, por lo que produce una fricción mecánica que juega un papel esencial en la remoción de partículas, ", dijo." Además, el fluido es compresible, lo que significa que produce un golpe de ariete en el impacto que puede terminar causando daños en la superficie ".
La dinámica de fluidos computacional (CFD) que tiene en cuenta tanto la viscosidad como la compresibilidad es un gran desafío, por lo que los ingenieros realizaron la primera simulación de flujo compresible y viscoso conocida para examinar cuidadosamente la dinámica del impacto de las gotas de alta velocidad. "Los fenómenos son de pequeño tamaño y muy rápidos; es muy difícil resolverlos con las técnicas experimentales actuales, "dijo Ando.
¿Por qué es tan importante este enfoque de simulación? Permite identificar una relación de compensación entre un rendimiento de limpieza eficiente (también conocido como eficiencia de eliminación de partículas) y una limpieza sin daños.
"Nuestro enfoque se puede utilizar para cuantificar la fuerza de fricción y la presión de impacto del golpe de ariete, ", Dijo Ando." Estos son útiles para explorar los valores óptimos de la velocidad de impacto, por ejemplo, dadas las propiedades de las partículas contaminantes, incluido el tamaño. El impacto directo de las gotas de agua contra superficies secas produce una alta fricción y presión de impacto, lo que implica una limpieza eficiente pero erosiva ".
En su simulación, los ingenieros exploraron el caso de introducir inicialmente una película de agua que recubre la superficie de limpieza. Sus resultados muestran que esta película puede amortiguar el impacto de las gotas, que es crucial para una limpieza menos erosiva.
"Las técnicas de limpieza respetuosas con el medio ambiente, incluidos el chorro de agua y el ultrasonido submarino, desempeñarán un papel más importante en el futuro. Su avance tecnológico siempre se ha visto obstaculizado por la falta de comprensión de la física subyacente, que ahora se puede entender, "dijo Ando." Además, más allá de la investigación experimental, el enfoque CFD es una herramienta esencial cuando se trata de la cuantificación del flujo de fluidos ".
