La cavitazione idrodinamica è un importante fenomeno di cambiamento di fase che può verificarsi con un'improvvisa diminuzione della pressione statica locale all'interno di un fluido. L'emergere di sistemi microelettromeccanici (MEMS) e dispositivi microfluidici ad alta velocità ha attirato una notevole attenzione con implementazioni in molti campi, comprese le applicazioni di cavitazione. In un nuovo studio ora in corso Natura:microsistemi e nanoingegneria , Farzad Rokhsar Talabazar e colleghi a Istanbul Turchia, Svezia e Svizzera hanno proposto una nuova generazione di dispositivi cavitation-on-a-chip con otto microcanali strutturati paralleli. Il team ha utilizzato acqua e una sospensione di microbolle di alcol polivinilico (PVA) come fluidi di lavoro nel dispositivo. Le caratteristiche dello strumento cavitation-on-a-chip di nuova generazione hanno applicazioni in dispositivi microfluidici o organ-on-a-chip per il rilascio integrato di farmaci e applicazioni di ingegneria tissutale.

Cavitazione idrodinamica

La cavitazione idrodinamica (HC) è un fenomeno di cambiamento di fase che coinvolge un liquido e inizia quando la pressione statica scende a un valore critico noto come pressione di vapore di saturazione. Il fenomeno include la vaporizzazione progressiva per la generazione, crescita e implosione delle bolle. Per esempio, piccole bolle possono formarsi in zone a bassa pressione, tipicamente all'ingresso di un elemento restrittivo di flusso dove le bolle di cavitazione inerziale possono crescere in un ciclo successivo fino a raggiungere una zona di alta pressione. La cavitazione è un fenomeno indesiderabile e la maggior parte degli studi sulla fisica della cavitazione mira a prevenirla oa ridurla. I ricercatori mirano a progettare e fabbricare dispositivi microfluidici in grado di generare bolle di cavitazione. In questo lavoro, Talabazar et al. determinato la praticità del concetto di cavitazione su chip per generare flussi di cavitazione a pressioni a monte inferiori, per esplorare la loro capacità per le applicazioni dei microsistemi. Per questo scopo, Talabazar et al. progettato un nuovo dispositivo microfluidico con otto brevi, micro-canali paralleli come dispositivo cavitation-on-a-chip di nuova generazione. Hanno notato l'effetto delle microbolle di alcol polivinilico (PVA) come facilitatore della cavitazione sull'inizio e sullo sviluppo della cavitazione. I risultati hanno dimostrato le elevate prestazioni del dispositivo per l'inizio della cavitazione e le applicazioni emergenti.

Il team ha incorporato un microdispositivo con elementi restrittivi del flusso parallelo in cui il dispositivo microfluidico conteneva un canale di ingresso per la guida del fluido nella camera di ingresso. La camera di ingresso conteneva una lunga sezione per consentire al flusso caotico transitorio di scomparire prima che il fluido entrasse nell'area dell'ugello. Il team ha fornito la pressione di ingresso desiderata al sistema utilizzando un serbatoio di azoto ad alta pressione dalla parte superiore di un contenitore di liquidi in acciaio. Quindi utilizzando un sistema di imaging, hanno acquisito immagini entro intervalli di tempo molto brevi. Durante gli esperimenti, Talabazar et al. utilizzato due fluidi di lavoro con diverse pressioni di ingresso da 0,2 a 1,1 MPa. I risultati hanno evidenziato un dispositivo microfluidico cavitation-on-a-chip di nuova generazione. Il team ha fatto funzionare il dispositivo con aliquote di acqua e microbolle di alcol polivinilico. Lo studio proof-of-concept ha evidenziato come l'efficiente reattore multifunzionale possa essere spiegato nella pratica. Gli scienziati hanno descritto il processo di cavitazione sulla base dei parametri misurati dalla configurazione sperimentale a ciclo aperto menzionata e hanno ottenuto condizioni di flusso cavitanti a foglio sviluppate a un numero di Reynolds inferiore in condizioni di flusso laminare.

Dinamica delle microbolle

Rispetto alle condizioni di inizio della cavitazione, le condizioni del flusso di cavitazione hanno mostrato tassi di crescita più rapidi delle microbolle, dove la dimensione delle microbolle aumentava ad alte pressioni a monte. Le microbolle potrebbero anche espandersi oltre un raggio critico, rispetto alle bolle di cavitazione. Precedenti studi sulla cavitazione ultrasonica hanno inoltre riportato che le microbolle hanno raggiunto la massima espansione a una pressione di trasmissione negativa di picco per poi subire una compressione immediata. Durante la cavitazione idrodinamica, le microbolle si sono espanse con un'improvvisa diminuzione della pressione per dimostrare la dinamica delle microbolle nell'apparato sperimentale; per dimostrare questo, Talabazar et al. utilizzato l'equazione di Rayleigh-Plesset modificata. In particolare, la proprietà del guscio delle microbolle costituiva un parametro importante per fornire una rigidità sufficiente a prevenire la dissoluzione delle bolle di gas. Come conseguenza, il team ha notato che le proprietà viscoelastiche delle microbolle di alcol polivinilico hanno mantenuto un ruolo significativo nella stabilizzazione dopo la cavitazione idrodinamica. I risultati hanno inoltre rivelato come la dimensione delle microbolle abbia giocato un ruolo dominante per l'inizio e l'intensificazione del processo di cavitazione, fornendo più siti di nucleazione per la crescita delle bolle.

Veduta

In questo modo, Farzad Rokhsar Talabazar e colleghi hanno ideato un dispositivo "cavitazione su chip" di nuova generazione che ospita otto brevi microcanali paralleli strutturati. Il nuovo design ha ridotto la pressione a monte per avviare la cavitazione idrodinamica. La configurazione proposta ha consentito la formazione di diversi regimi di flusso cavitanti a una pressione a monte costante in dispositivi all'avanguardia. Lo strumento descritto può fornire modelli di flusso cavitanti con la stessa intensità a un'energia di ingresso inferiore. La geometria del dispositivo e i suoi regimi di flusso cavitazione in evoluzione sono più rapidi e facili per i microdispositivi esistenti.

Il team ha utilizzato due fluidi di lavoro:sospensioni di microbolle di acqua e alcol polivinilico durante gli esperimenti, e le microbolle hanno fornito più siti di nucleazione per facilitare l'inizio a una pressione a monte significativamente più bassa per le microbolle di alcol polivinilico rispetto all'acqua. I flussi di cavitazione emergenti possono svilupparsi più rapidamente e il dispositivo "cavitazione su chip" proposto ha un potenziale maggiore in molteplici applicazioni che coinvolgono dispositivi microfluidici per il rilascio integrato di farmaci e applicazioni di ingegneria tissutale.

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