Μια μικροσκοπική τρισδιάστατη αντλία κενού θα μπορούσε να δώσει ώθηση στη φασματομετρία μάζας - Physics World

Μια μικροσκοπική τρισδιάστατη αντλία κενού αναπτύχθηκε από ερευνητές στις ΗΠΑ. Λούις Φερνάντο Βελάσκ-Γκαρσία και συνάδελφοι στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης λένε ότι η συσκευή τους ξεπερνά τις τρέχουσες μινιατούρες αντλίες τελευταίας τεχνολογίας. Θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για να δώσει στους ανθρώπους σε απομακρυσμένες κοινότητες πρόσβαση σε προηγμένα όργανα, όπως φασματομετρία μάζας για δοκιμές υγείας και περιβάλλοντος.

Η περισταλτική αντλία είναι ένας τύπος αντλίας θετικής μετατόπισης σε μικρογραφία που μιμείται τη δράση των μυών στα έντερα μας. Μέσα στην αντλία, το υγρό ταξιδεύει μέσω ενός εύκαμπτου σωλήνα, τοποθετημένου γύρω από την εσωτερική άκρη ενός άκαμπτου κυκλικού περιβλήματος.

Ένας ρότορας στον άξονα του κύκλου είναι εφοδιασμένος με κυλίνδρους που περνούν κατά μήκος της εσωτερικής περιφέρειας του κύκλου – πιέζοντας τον σωλήνα πάνω στο περίβλημα, μεταφέροντας θύλακες υγρού μπροστά από τους κυλίνδρους, προς την κατεύθυνση της εξόδου της αντλίας. Ταυτόχρονα, αφού περάσει ο κύλινδρος, ο σωλήνας ανακτά το αρχικό του σχήμα. Αυτό δημιουργεί ένα φαινόμενο αναρρόφησης που αντλεί περισσότερο υγρό στην αντλία.

Δεδομένου ότι αυτή η τεχνική αποφεύγει την άμεση επαφή μεταξύ του ρευστού και του μηχανισμού άντλησης, χρησιμοποιείται πλέον ευρέως για τη μεταφορά υγρών που είναι χημικά αντιδραστικά ή πρέπει να παραμείνουν παρθένα - όπως το αίμα.

Προκλήσεις κενού

Μέχρι στιγμής, ωστόσο, οι περισταλτικές αντλίες δεν έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως για τη δημιουργία και τη διατήρηση κενού μέσω της μεταφοράς αερίων. Αυτό θα απαιτούσε από τον ρότορα να περιστρέφεται με μεγαλύτερες ταχύτητες και να πιέζει τον εύκαμπτο σωλήνα πιο δυνατά, κάτι που θα μπορούσε να βλάψει γρήγορα την αντλία. Επιπλέον, ένας σωλήνας με κυκλική διατομή δεν μπορεί ποτέ να σφραγιστεί πλήρως, πράγμα που σημαίνει ότι κάποιο αέριο μπορεί πάντα να διαρρεύσει προς τη λάθος κατεύθυνση.

Στη μελέτη τους, η ομάδα του Velásquez-García διερεύνησε πώς θα μπορούσαν να λυθούν αυτά τα προβλήματα μέσω ενός πιο έξυπνου σχεδιασμού εύκαμπτου σωλήνα – που έγινε δυνατό με την τρισδιάστατη εκτύπωση. «Ένα από τα βασικά πλεονεκτήματα της χρήσης τρισδιάστατης εκτύπωσης είναι ότι μας επιτρέπει να κάνουμε επιθετικά πρωτότυπα», εξηγεί ο Velásquez-García.

«Αν κάνετε αυτή τη δουλειά σε ένα καθαρό δωμάτιο, όπου κατασκευάζονται πολλές από αυτές τις μικροσκοπικές αντλίες, χρειάζεται πολύς χρόνος. Εάν θέλετε να κάνετε μια αλλαγή, πρέπει να ξεκινήσετε ολόκληρη τη διαδικασία από την αρχή. Σε αυτήν την περίπτωση, μπορούμε να εκτυπώσουμε την αντλία μας μέσα σε λίγες ώρες και κάθε φορά μπορεί να είναι ένα νέο σχέδιο.»

Αυτή η προσέγγιση επέτρεψε στην ομάδα του Velásquez-García να εκτυπώσει όλες τις εσωτερικές λειτουργίες της αντλίας ταυτόχρονα. Για τον εύκαμπτο σωλήνα, χρησιμοποίησαν ένα σχετικά νέο υλικό που εκτυπώνεται πιο εύκολα από τα πιο κύρια εύκαμπτα υλικά, αλλά έχει τις απαιτούμενες ιδιότητες.

Ζευγάρι εγκοπές

Προσάρμοσαν επίσης το σχέδιο του σωλήνα – εισάγοντας ένα ζεύγος εγκοπών στις αντίθετες πλευρές της διατομής του, κάθετα προς την κατεύθυνση της συμπίεσής του από τους κυλίνδρους. Αυτή η μικρή αλλαγή σήμαινε ότι ο σωλήνας απαιτούσε λιγότερη από τη μισή δύναμη για να σφραγίσει πλήρως (βλ. εικόνα).

Με αυτές τις προσαρμογές σε εφαρμογή, η αντλία της ομάδας θα μπορούσε να διατηρήσει τις πιέσεις κενού μια τάξη μεγέθους χαμηλότερη από άλλες υπερσύγχρονες μικροσκοπικές αντλίες. Αυτό επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας χαμηλότερες ταχύτητες ρότορα και με μικρότερες δυνάμεις που μεταδίδονται στον εύκαμπτο σωλήνα. Ο σχεδιασμός τους διατήρησε αυτή την απόδοση για μια ζωή άνω των 100,000 περιστροφών.

Ο Velásquez-García και οι συνεργάτες του πιστεύουν ότι τα αποτελέσματά τους δείχνουν ξεκάθαρα πόσο προηγμένη έχει γίνει η τρισδιάστατη εκτύπωση. «Μερικοί άνθρωποι πιστεύουν ότι όταν εκτυπώνετε 3D κάτι πρέπει να υπάρχει κάποιο είδος ανταλλαγής. Αλλά εδώ η ομάδα μας έδειξε ότι αυτό δεν ισχύει», ισχυρίζεται ο Velásquez-García. «Είναι πραγματικά ένα νέο παράδειγμα. Η παραγωγή προσθέτων δεν πρόκειται να λύσει όλα τα προβλήματα του κόσμου, αλλά είναι μια λύση που έχει πραγματικά πόδια».

Η βαφή τροφίμων βοηθά στην τρισδιάστατη εκτύπωση των αγγειακών δικτύων

Η ομάδα προβλέπει πολλές πιθανές χρήσεις για τη συσκευή τους: συμπεριλαμβανομένης της μεταλλουργίας υψηλής καθαρότητας, των διαδικασιών επίστρωσης, της κατασκευής ημιαγωγών και ιδιαίτερα της φασματομετρίας μάζας.

«Με τα φασματόμετρα μάζας, ο γορίλας των 500 λιβρών στο δωμάτιο ήταν πάντα το θέμα των αντλιών κενού», εξηγεί ο Velásquez-García. «Αυτό που δείξαμε εδώ είναι πρωτοποριακό, αλλά είναι δυνατό μόνο επειδή είναι τρισδιάστατο. Αν θέλαμε να το κάνουμε αυτό με τον τυπικό τρόπο, δεν θα ήμασταν πουθενά κοντά».

Με αυτήν την προσέγγιση, φασματόμετρα μάζας εξοπλισμένα με μικροσκοπικές αντλίες κενού θα μπορούσαν εύκολα να παραχθούν και να αναπτυχθούν σε απομακρυσμένες περιοχές - επιτρέποντας σε μικρές κοινότητες στις αναπτυσσόμενες χώρες να αναλύσουν δείγματα αίματος και να εξετάσουν την ποιότητα του νερού.

Η αντλία περιγράφεται στο Παραγωγή προσθέτων.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Ενισχύστε σήμερα.
• EVM Finance. Ενιαία διεπαφή για αποκεντρωμένη χρηματοδότηση. Πρόσβαση εδώ.
• Quantum Media Group. Ενισχυμένο IR/PR. Πρόσβαση εδώ.
• PlatoAiStream. Web3 Data Intelligence. Ενισχύθηκε η γνώση. Πρόσβαση εδώ.
• πηγή: https://physicsworld.com/a/tiny-3d-printed-vacuum-pump-could-give-mass-spectrometry-a-boost/