Hydrodynamisk kavitation är ett stort fasförändringsfenomen som kan inträffa med en plötslig minskning av det lokala statiska trycket i en vätska. Framväxten av mikroelektromekaniska system (MEMS) och höghastighetsmikrofluidenheter har väckt stor uppmärksamhet med implementeringar inom många områden inklusive kavitationsapplikationer. I en ny studie nu på Natur:Mikrosystem och nanoteknik , Farzad Rokhsar Talabazar och kollegor i Istanbul Turkiet, Sverige och Schweiz föreslog en ny generation av kavitations-på-ett-chip-enheter med åtta parallella strukturerade mikrokanaler. Teamet använde vatten och en mikrobubbelsuspension av polyvinylalkohol (PVA) som arbetsvätskor i enheten. Funktionerna i nästa generations kavitation-på-ett-chip-instrument har tillämpningar över mikrofluidiska eller organ-on-a-chip-enheter för integrerad läkemedelsfrisättning och vävnadstekniska tillämpningar.

Hydrodynamisk kavitation

Hydrodynamisk kavitation (HC) är ett fasförändringsfenomen som involverar en vätska och börjar när det statiska trycket sjunker till ett kritiskt värde som kallas mättnadsångtrycket. Fenomenet inkluderar progressiv förångning för generationen, tillväxt och implosion av bubblor. Till exempel, små bubblor kan bildas i lågtryckszoner, typiskt vid ingången av ett flödesbegränsande element där tröghetskavitationsbubblor kan växa i en successiv cykel tills de når ett högtrycksområde. Kavitation är ett oönskat fenomen och de flesta studier om kavitationens fysik syftar till att förhindra eller minska den. Forskare strävar efter att designa och tillverka mikrofluidiska enheter som kan generera kavitationsbubblor. I det här arbetet, Talabazar et al. fastställt det praktiska med kavitation-på-ett-chip-konceptet för att generera kaviterande flöden vid lägre uppströmstryck, att utforska deras förmåga för mikrosystemtillämpningar. För det här syftet, Talabazar et al. designade en ny mikrofluidisk enhet med åtta korta, parallella mikrokanaler som nästa generations kavitation-på-ett-chip-enhet. De noterade effekten av mikrobubblor av polyvinylalkohol (PVA) som en kavitationsfacilitator på uppkomst och utveckling av kavitation. Resultaten bevisade enhetens höga prestanda för start av kavitation och nya applikationer.

Teamet inkorporerade en mikroenhet med parallellflödesbegränsande element där mikrofluidanordningen innehöll en inloppskanal för vätskeledning in i inloppskammaren. Inloppskammaren innehöll en lång sektion för att tillåta övergående kaotiskt flöde att försvinna innan vätskan kom in i munstycksområdet. Teamet tillförde det önskade inloppstrycket till systemet med hjälp av en högtrycks-kvävetank från toppen av en stålvätskebehållare. Använd sedan ett bildsystem, de fick bilder inom mycket korta tidsintervall. Under experimenten, Talabazar et al. använde två arbetsvätskor med olika inloppstryck från 0,2 till 1,1 MPa. Resultaten lyfte fram en ny generation av kavitations-på-ett-chip-mikrofluidisk anordning. Teamet fick enheten att fungera med vatten- och polyvinylalkohol-mikrobubbelvattenalikvoter. Proof-of-concept-studien belyste hur den effektiva multifunktionella reaktorn kan förklaras i praktiken. Forskarna beskrev kavitationsprocessen baserat på parametrar uppmätta från den nämnda experimentella uppsättningen med öppen slinga och uppnådde utvecklade arkkaviterande flödesförhållanden vid ett lägre Reynolds-tal under laminära flödesförhållanden.

Mikrobubblors dynamik

Jämfört med kavitationsstartförhållandena, kavitationsflödesförhållandena visade snabbare tillväxthastigheter för mikrobubblor, där mikrobubblornas storlek ökade vid höga uppströmstryck. Mikrobubblorna kan också expandera utanför en kritisk radie, jämfört med kavitationsbubblor. Tidigare studier på ultraljudskavitation rapporterade dessutom att mikrobubblor nådde maximal expansion vid ett maximalt negativt transmissionstryck för att sedan genomgå omedelbar kompression. Under hydrodynamisk kavitation, mikrobubblor expanderade med en plötslig minskning av trycket för att demonstrera dynamiken hos mikrobubblor i experimentuppställningen; för att visa detta, Talabazar et al. använde den modifierade Rayleigh-Plesset-ekvationen. I synnerhet, mikrobubblans skalegenskaper utgjorde en huvudparameter för att ge tillräcklig styvhet för att förhindra upplösning av gasbubblor. Som en konsekvens, teamet noterade att de viskoelastiska egenskaperna hos mikrobubblor i polyvinylalkohol bibehöll en betydande roll för att stabiliseras efter hydrodynamisk kavitation. Resultaten avslöjade dessutom hur mikrobubblornas storlek spelade en dominerande roll för början och intensifieringen av kavitationsprocessen genom att tillhandahålla fler kärnbildningsställen för bubbeltillväxt.

Syn

På det här sättet, Farzad Rokhsar Talabazar och kollegor utvecklade en ny generation "kavitation-på-ett-chip"-enhet som innehåller åtta parallella strukturerade korta mikrokanaler. Den nya designen minskade uppströmstrycket för att initiera hydrodynamisk kavitation. Den föreslagna installationen möjliggjorde bildandet av olika kaviterande flödesregimer vid ett konstant uppströmstryck i toppmoderna anordningar. Det beskrivna instrumentet kan ge kaviterande flödesmönster med samma intensitet vid en lägre ingångsenergi. Geometrin hos enheten och dess utvecklande kaviterande flödesregimer är snabbare och enklare för befintliga mikroenheter.

Teamet använde två arbetsvätskor - vatten och polyvinylalkohol-mikrobubbelsuspensioner under experimenten, och mikrobubblorna gav fler kärnbildningsställen för att underlätta uppkomsten vid ett signifikant lägre uppströmstryck för polyvinylalkoholmikrobubblorna jämfört med vatten. De framväxande kaviterande flödena kan utvecklas snabbare och den föreslagna "kavitation-på-ett-chip"-enheten har högre potential över flera tillämpningar som involverar mikrofluidiska enheter för integrerad läkemedelsfrisättning och vävnadstekniska tillämpningar.

© 2021 Science X Network