Halvledartillverkning och många andra industriella verksamheter involverar rengöringsprocesser, och ur miljö- och hälsoperspektiv, det har blivit mycket önskvärt att använda fysiska rengöringstekniker som vätskestrålar eller undervattensultraljud istället för giftiga kemikalier.
Förvånande, forskare som specialiserat sig på maskinteknik har inte ägnat mycket uppmärksamhet åt fysiska rengöringsproblem. Men nu, mekaniska ingenjörer specialiserade på mekanismen för vätskerörelse vid Keio University, i Japan, har avslöjat den underliggande fysiken för vad som händer när vätskestrålekollisioner träffar ytor som ska rengöras.
Att göra detta, ingenjörerna använde en vätskedynamiksimulering för att studera inverkan av vattendroppar mot en torr/våt styv vägg som ett kanoniskt exempel. De redovisar sitt arbete i journalen Vätskors fysik .
"Inom halvledartillverkning, mindre förorenande partiklar måste avlägsnas från kiselskivor när enheterna blir ytterligare miniatyriserade, sa Keita Ando, en biträdande professor i maskinteknik vid Keio universitet. "Höghastighets dropppåverkan gynnas när det gäller att ta bort partiklar av mycket små storlekar - i storleksordningen 10 nanometer - men det kan orsaka yterosion."
Så det är nödvändigt att överväga effekterna av både viskositet och kompressibilitet hos vätskan på slagdynamiken. "Väsken är trögflytande, så det producerar en mekanisk friktion som spelar en viktig roll vid partikelavlägsnande, sade han. Dessutom, vätskan är komprimerbar, vilket innebär att den producerar en vattenhammarchock vid stöten som kan orsaka ytskador."
Computational fluid dynamics (CFD) som står för både viskositet och kompressibilitet är en stor utmaning, så ingenjörerna utförde den första kända viskösa och komprimerbara flödessimuleringen för att noggrant undersöka höghastighetsdropparslagsdynamik. "Fenomenen är små och mycket snabba; det är väldigt svårt att lösa dem med nuvarande experimentella tekniker, sa Ando.
Varför är denna simuleringsmetod så viktig? Det gör det möjligt att identifiera ett kompromissförhållande mellan effektiv rengöringsprestanda—alias partikelborttagningseffektivitet—och skadefri rengöring.
"Vårt tillvägagångssätt kan användas för att kvantifiera friktionskraft och vattenhammarslagstryck, ", sa Ando. "Dessa är användbara för att utforska optimala värden för kollisionshastigheten, till exempel, givna föroreningspartikelegenskaper inklusive storlek. Den direkta inverkan av vattendroppar mot torra ytor ger hög friktion och stöttryck, vilket innebär effektiv men eroderande rengöring."
I sin simulering, ingenjörerna undersökte fallet med att till en början introducera en vattenfilm som täcker rengöringsytan. Deras resultat visar att denna film kan dämpa droppstöten, vilket är avgörande för mindre erosiv rengöring.
"Miljövänliga rengöringstekniker – inklusive vattenjet och undervattensultraljud – kommer att spela en viktigare roll i framtiden. Deras tekniska framsteg har alltid hindrats av en bristande förståelse för den underliggande fysiken, som nu kan förstås, sade Ando. Dessutom, bortom experimentell forskning, CFD-metoden är ett viktigt verktyg när det gäller kvantifiering av vätskeflöde."
