Gündem

Programlanabilir kılcal hareket, sıvı akışlarını kontrol eder

0

Bilim adamları genellikle çevrelerindeki dünyadan ilham alırlar. içinde bir kağıt Doğa, doğanın maddenin birden fazla fazını içeren süreçleri verimli bir şekilde gerçekleştirme yeteneğinden ilham alan Dudukoviç ve diğerleri.1 Mevcut hücresel akışkanlar: karmaşık iç yapılara sahip birçok kübik yapı bloğunun, kılcal hareket kullanarak sıvı akışını yönlendirmek için bir araya getirildiği teknolojik bir platform. Yazarlar bu platformu çeşitli akışkan yapılar inşa etmek için kullanıyor ve ağaçların suyu köklerinden emdiği ve dallarının uçlarındaki yapraklara taşıdığı, burada buharlaştığı terleme gibi önemli çok aşamalı süreçleri modelleyebildiğini gösteriyor. Hücresel akışkanlar ayrıca, alternatif elektriksel olarak iletken ve yalıtkan bölgeler içeren nesneler de dahil olmak üzere, desenli çok malzemeli yapıların üretilmesini sağlar.

Kılcal hareket, boya fırçasındaki tüylerin ıslanması ve gözlerin yırtılması gibi birçok işlemi yönlendirir. Pompalar gibi dış kuvvetlere ihtiyaç duymadan küçük alanlarda – örneğin bir kağıt havludaki lifler arasındaki boşluklarda veya kan toplamak için kullanılan kılcal borularda – sıvı akışını sağlar. Bu nedenle, küçük hacimli sıvıların milimetre altı boyutlardaki boşluklarda hareketini inceleyen mikroakışkanlar alanında kullanım alanı bulmuştur. Kılcal hareket, evde hamilelik testleri ve taşınabilir glikoz monitörleri gibi birçok mikroakışkan teknolojinin temelini oluşturur. Mühendislik, kimya ve fiziği birleştirerek, birçok alanda kullanılmak üzere bunlar gibi minyatür ‘çip üzerinde laboratuvar’ cihazları geliştirilmiştir.2.

Konvansiyonel mikroakışkan sistemler kapalıdır (akışkan tamamen kanallar içinde tutulur), sıvıyı itmek için harici pompalar gerektirir ve yalnızca sızdırmaz bağlantı noktalarından erişilebilir. Bu nedenle açık mikroakışkanlar alanı, mikroakışkan sistemleri örneğin pipetler için daha erişilebilir hale getirmek için tasarlandı.35. Açık mikroakışkanlarda, akan sıvının en az bir sınırı havaya maruz kalır ve bir hava-sıvı arayüzü oluşturur.

Dudukoviç et al. açık mikroakışkan teorisinin büyüyen gövdesinden yararlanarak bu alan için rafine bir konsept geliştirdiler: karmaşık 3D mimarilerin oluşturulabileceği bir birim hücre. Birim hücreler genellikle kristal kafesler bağlamında düşünülür – bir kafesin en küçük yinelenen birimidir. Dudukoviç ve meslektaşlarının akışkan sistemindeki birim hücreler, benzer şekilde akışkan platformlarının en küçük yapı taşları olarak kullanılır. Bu birim hücrelerin her biri, çevreleyen atmosfere açık olan iç boşlukları olan milimetre ölçekli bir küptür (Şekil 1a).

Şekil 1

Şekil 1 | Hücresel akışkan sistemlerinde kılcal akış ve terleme benzeri bir süreç. Dudukoviç et al.1 hücresel akışkanlar adı verilen teknolojik bir platformu rapor edin. birBu platformda, birim hücreler olarak bilinen milimetre ölçekli küpler, kılcal hareket yoluyla sıvıları çeken iç mimarilere sahiptir. Yığılmış birim hücrelerin birleşik kılcal hareketi, dikey bir sıvı akışı üretir. bYazarlar, birim hücrelerden inşa edilen ağaç benzeri bir yapının, bir rezervuardan sıvının buharlaştığı dalların uçlarına sürekli olarak sıvı ilettiğini bildiriyor – doğal ağaçlardaki terlemeyi taklit eden bir süreç. (Ref. 1’deki Şekil 4a’dan uyarlanan ağaç görüntüsü)

Boşluklar, birim hücrelerin çökmesini önlemek için kısmen destek görevi gören payandalarla sınırlandırılmıştır. Yazarlar, payandaların şeklini ve boyutunu ayarlayarak hücrelerdeki kılcal hareketi kontrol edebilir. Ayrıca, hücreler birbirine bağlandığında, her hücrenin birleşik kılcal hareketi, içinden sıvının aktığı kontrol edilebilir bir yol üretir. Etkileyici bir şekilde, birim hücrelerden ağaç benzeri bir yapı (onlarca milimetre yüksekliğinde) inşa ederek, hücrelerin birleşik kılcal hareketinin, terlemeye benzer çok fazlı bir süreci mümkün kıldığını gösterirler (Şekil 1b). Benzer büyüklükte, iç destekleri olmayan içi boş birim hücrelerden benzer bir ağaç benzeri yapı yapılmış olsaydı, köklerden gelen su ağaçtan çok uzağa gidemezdi (bkz. Genişletilmiş Veri Şekil 6, makale).1).

Ağaç yaprakları veya toprak gibi doğal yapılardaki sıvı akışı, bu yapılardaki bileşenlerin düzenine bağlıdır.3. Hücresel akışkanlar, bu nedenle, bu tür sıvı akışını taklit etmek için mükemmel bir araçtır, çünkü birim hücreler, doğal yapıların yapı taşlarıyla aynı şekilde düzenlenebilir.

Kılcal hareket, bir sıvıdaki molekülleri bir arada tutan yapışkan kuvvetler, sıvının katı bir yüzeye (bir tüpün duvarı gibi) yapışmasına neden olan yapışkan kuvvetlerle birlikte çalıştığında meydana gelir, böylece sıvıyı belirli bir yönde çeker. Sıvı dikey olarak yükseldiğinde, yerçekimi kuvvetleri kılcal harekete karşı etki eder. Tüpler gibi basit sistemlerdeki kılcal akış, bu çeşitli kuvvetler arasındaki etkileşim dikkate alınarak matematiksel olarak tanımlanabilir. Dudukoviç ve meslektaşlarının birim hücrelerindeki kılcal artış, tüplerdekinden daha karmaşıktır ve bu nedenle yazarlar, payanda çapının ve birbirine bağlı hücre sayısının bir hücresel akışkanlık sisteminin genel kılcal hareketini nasıl etkilediğini açıklayan teorik bir model türetmiştir.

Dudukoviç ve iş arkadaşlarının birim hücreleri gibi açık yapıların imalatının, mikroakışkanlarda tipik olarak kullanılan birçok yöntemi kullanarak başarılması zor olabilir. Bu nedenle yazarlar, birim hücrelerini katman katman oluşturmak için 3D baskı kullandılar. Bu çekici bir seçenek çünkü sabah bir tasarım düşünebilir, ardından bilgisayar destekli tasarım programlarını kullanarak bir model çizebilir, dosyayı bir 3D yazıcıya yükleyebilir ve basitçe ‘başlat’ düğmesine basabilirsiniz. Çalışan bir prototip günün sonunda hazır olabilir. 3D baskı, tanı cihazlarının prototipleri için sert reçinelerden doku mühendisliği için biyouyumlu jellere kadar basılabilen malzeme yelpazesi nedeniyle de çekici. Bununla birlikte, birçok uygulamada, birden fazla malzemeden imal edilmiş yapılar üretmek gereklidir.

Hücresel akışkanlar bu soruna bir çözüm sağlar. Dudukoviç ve diğerleri. 3 boyutlu bir yapıdaki birim hücrelerin boyutunu, şeklini ve yoğunluğunu ayarlayarak, sıvı akışının seçilen bir yol boyunca kontrol edilip yönlendirilebileceğini gösterin (Şekil 2). Bu, bir yapıdaki belirli birim hücreleri metalle kaplamanın bir yolunu sağlar: uygun katalizörlerin ve reaktiflerin çözeltileri belirli bir yol boyunca kanalize edildiğinde, tüm yapı daha sonra bir kaplama çözeltisine daldırıldığında sadece bu yoldaki hücreler metalize edildi. Yazarlar bu yaklaşımı, silindir şeklindeki bir yapının seçilen bölgelerini metalle kaplamak için kullandılar ve elektriksel olarak iletken ve iletken olmayan arasında değişen eşmerkezli halkalar ürettiler (kağıda bakınız Şekil 6e).1). Araştırmacılar ayrıca, bir yapının belirli alanlarına sıvıları kanalize etme yeteneğinin, sıvıları yapay organlar içinde iletmek için kullanılabileceğini öne sürüyorlar.

Şekil 2 Yeşil boyalı su, hücresel bir akışkan yapı içinde önceden programlanmış üç boyutlu bir akış yolu boyunca dağıtılır.

Şekil 2 | 3B yapılarda seçici sıvı akışı. Dudukoviç et al.1 Bir sıvının 3B hücresel akışkan yapılarından geçen akış yolunun, birim hücrelerin boyutunu, şeklini ve yoğunluğunu değiştirerek tam olarak kontrol edilebileceğini gösterin. Burada, spiral bir yol boyunca yeşil bir sıvı geçer.Kredi bilgileri: Hawi Gemeda

Birim hücrelere dayalı akışkan sistemler daha önce geliştirilmiştir.6,7ve Dudukoviç ve meslektaşlarının çalışmalarının bir sınırlaması, büyük ölçüde bilinen fiziksel olayları bildirmesidir. Bununla birlikte, bu çalışmanın önemli bir ilerlemesi, birleşik birim hücre yapılarındaki sıvı akışı anlayışımızı önemli ölçüde arttırmasıdır. Bilinmeyen fiziksel ilkeleri araştırmak veya yeni çok malzemeli yapılar üretmek için hücresel akışkanların kullanıldığı gelecekteki uygulamaları sabırsızlıkla bekliyoruz. Bu teknolojik platform, araştırma için birçok heyecan verici fırsat sunuyor ve açık mikroakışkan araç setine değerli bir katkı sağlıyor.

Rekabet İlgi Alanları

ABT, açık mikroakışkan teknolojilerini takip eden bir şirket olan Stacks to the Future, LLC’nin mülkiyetini beyan eder. Ancak, bu teknoloji bu yayında yer almamaktadır.

Profesör

Kalbi atan bir fare embriyosu tamamen petri kabında büyütüldü

Previous article

Bir geçiş metali dikalkojenit heteroyapısında iki katmanlı Wigner kristalleri

Next article

You may also like

Comments

Comments are closed.

More in Gündem