Een cavitatie-op-een-chip-apparaat met een configuratie met meerdere microkanalen

Schema van de parallelle meerkanaalsopstelling (in een cascade gerangschikt). (a) Algemene configuratie van het apparaat, (b) zijwandruwheid manifestatie, en (c) uitlaten van de parallelle microkanalen. Credit: Natuurmicrosystemen en nano-engineering, doi: 10.1038/s41378-021-00270-1

Hydrodynamische cavitatie is een belangrijk faseveranderingsfenomeen dat kan optreden bij een plotselinge afname van de lokale statische druk in een vloeistof. De opkomst van micro-elektromechanische systemen (MEMS) en snelle microfluïdische apparaten hebben veel aandacht getrokken met implementaties op veel gebieden, waaronder cavitatietoepassingen. In een nieuwe studie nu op Natuur: microsystemen en nano-engineering, stelden Farzad Rokhsar Talabazar en collega’s in Istanbul, Turkije, Zweden en Zwitserland een nieuwe generatie cavitatie-op-een-chip-apparaten voor met acht parallelle gestructureerde microkanalen. Het team gebruikte water en een polyvinylalcohol (PVA) microbellensuspensie als werkvloeistoffen in het apparaat. De kenmerken van het cavitatie-op-een-chip-instrument van de volgende generatie hebben toepassingen in microfluïdische of orgaan-op-een-chip-apparaten voor geïntegreerde medicijnafgifte en weefselengineering.

Hydrodynamische cavitatie

Hydrodynamische cavitatie (HC) is een fenomeen van faseverandering waarbij een vloeistof betrokken is en begint wanneer de statische druk daalt tot een kritische waarde die bekend staat als de verzadiging dampdruk. Het fenomeen omvat progressieve verdamping voor de vorming, groei en implosie van bellen. Er kunnen zich bijvoorbeeld kleine belletjes vormen in lagedrukzones, meestal bij de ingang van een stroombeperkend element waar traagheidscavitatiebellen kunnen in een opeenvolgende cyclus groeien totdat ze een hogedrukgebied bereiken. Cavitatie is een ongewenst fenomeen en de meeste onderzoeken naar de fysica van cavitatie hebben tot doel het te voorkomen of te verminderen. Onderzoekers willen microfluïdische apparaten ontwerpen en fabriceren die cavitatiebellen kunnen genereren. In dit werk, Talabazar et al. bepaalden de bruikbaarheid van het cavitatie-op-een-chip-concept om cavitatiestromen te genereren bij lagere stroomopwaartse drukken, om hun mogelijkheden voor microsysteemtoepassingen te onderzoeken. Voor dit doel hebben Talabazar et al. ontwierp een nieuw microfluïdisch apparaat met acht korte, parallelle microkanalen als een cavitatie-op-een-chip-apparaat van de volgende generatie. Ze merkten het effect op van polyvinylalcohol (PVA) microbellen als cavitatiefacilitator op het ontstaan ​​en de ontwikkeling van cavitatie. De resultaten bewezen de hoge prestaties van het apparaat voor het ontstaan ​​van cavitatie en opkomende toepassingen.

Fabricageprocesstroom van het microfluïdische apparaat. (a) Fotoresist gieten op een met siliciumdioxide beklede wafel. (b) Maskerloze lithografie voor kanaalontwerp. (c) SiO2-etsen, (d) weerstand bieden aan strippen, (e) tweede lithografie om de inlaat-uitlaat- en drukpoorten te openen. (f) DRIE voor Si-etsen. (g) Fotoresiststrippen. (h) Ti- en Al-coating om de wafer te beschermen, evenals etsen en tweede DRIE voor etsen door de wafer om inlaten, uitlaten en drukpoorten te openen. (i) Nat etsen van Al. (j) Nat etsen van Ti. (k) Nat etsen van Si02. (l) Anodische binding van het substraat aan glas na het volledig etsen van de siliciumdioxidelaag. Credit: Natuurmicrosystemen en nano-engineering, doi: 10.1038/s41378-021-00270-1

Ontwerp en configuratie van het microfluïdische apparaat

Het team nam een ​​microapparaat op met parallelle stroombeperkende elementen waarbij het microfluïdische apparaat een inlaatkanaal bevatte voor vloeistofgeleiding naar de inlaatkamer. De inlaatkamer bevatte een lang gedeelte om voorbijgaande chaotische stroming te laten verdwijnen voordat de vloeistof het mondstukgebied binnenging. Het team leverde de gewenste inlaatdruk aan het systeem met behulp van een hogedruk-stikstoftank vanaf de bovenkant van een stalen vloeistofcontainer. Vervolgens hebben ze met behulp van een beeldvormingssysteem binnen zeer korte tijdsintervallen beelden verkregen. Tijdens de experimenten, Talabazar et al. gebruikte twee werkvloeistoffen met verschillende inlaatdrukken van 0,2 tot 1,1 MPa. De resultaten benadrukten een nieuwe generatie cavitatie-op-een-chip microfluïdische apparaat. Het team heeft het apparaat laten functioneren met water en polyvinylalcohol microbellen-waterhoeveelheden. De proof-of-concept studie liet zien hoe de efficiënte multifunctionele reactor in de praktijk verklaard kan worden. De wetenschappers beschreven het cavitatieproces op basis van parameters gemeten van de genoemde experimentele opstelling met open lus en bereikten ontwikkelde caviterende stroomomstandigheden bij een lagere Reynolds getal onder laminaire stromingsomstandigheden.

Microbellen dynamiek

In vergelijking met de cavitatie-aanvangscondities, vertoonden de cavitatiestroomcondities snellere groeisnelheden van microbellen, waarbij de microbelgrootte toenam bij hoge stroomopwaartse drukken. De microbellen zouden ook buiten een kritische straal kunnen uitzetten in vergelijking met cavitatiebellen. Eerdere studies over echo cavitatievit rapporteerde bovendien dat microbellen maximale expansie bereikten bij een maximale negatieve transmissiedruk om vervolgens onmiddellijke compressie te ondergaan. Tijdens hydrodynamische cavitatie breidden microbellen zich uit met een plotselinge afname van de druk om de dynamiek van microbellen in de experimentele opstelling aan te tonen; om dit aan te tonen, Talabazar et al. gebruikte de gewijzigde Rayleigh-Plesset vergelijking. Met name de eigenschap van de microbellenschaal vormde een belangrijke parameter om voldoende stijfheid te bieden aan het oplossen van gasbellen voorkomen. Als gevolg hiervan merkte het team op dat de visco-elastische eigenschappen van polyvinylalcoholmicrobellen een belangrijke rol bleven spelen bij het stabiliseren na hydrodynamische cavitatie. De resultaten onthulden bovendien hoe de grootte van de microbellen een dominante rol speelde voor het begin en de intensivering van het cavitatieproces door meer nucleatieplaatsen voor bellengroei te bieden.

Hydrodynamisch holte-effect op PVA MB-diameter. Credit: Natuurmicrosystemen en nano-engineering, doi: 10.1038/s41378-021-00270-1

Outlook

Op deze manier bedachten Farzad Rokhsar Talabazar en collega’s een nieuwe generatie ‘cavitatie-op-een-chip’-apparaat met acht parallelle gestructureerde korte microkanalen. Het nieuwe ontwerp verminderde de stroomopwaartse druk om hydrodynamische cavitatie te initiëren. De voorgestelde opstelling maakte de vorming van diverse caviterende stromingsregimes mogelijk bij een constante stroomopwaartse druk in ultramoderne apparaten. Het beschreven instrument kan caviterende stromingspatronen leveren met dezelfde intensiteit bij een lagere ingangsenergie. De geometrie van het apparaat en de zich ontwikkelende caviterende stroomregimes zijn sneller en gemakkelijker voor bestaande microdevices.

Het team gebruikte twee werkvloeistoffen – water en polyvinylalcohol-microbellensuspensies tijdens de experimenten, en de microbellen zorgden voor meer nucleatieplaatsen om het starten bij een aanzienlijk lagere stroomopwaartse druk voor de polyvinylalcoholmicrobellen in vergelijking met water te vergemakkelijken. De opkomende cavitatiestromen kunnen zich sneller ontwikkelen en het voorgestelde ‘cavitatie-op-een-chip’-apparaat heeft een groter potentieel voor meerdere toepassingen met microfluïdische apparaten voor geïntegreerde medicijnafgifte en weefselmanipulatietoepassingen.