Исследователи приступили к междисциплинарному проекту, чтобы определить, как кавитационные пузырьки в микро- или наноструктурах могут уменьшить эрозию поверхности и повысить эффективность микрожидкостных смесительных устройств, часто используемых для быстрого и эффективного смешивания нескольких образцов.

Потенциальные применения результатов исследований включают создание более эффективных и устойчивых насосных механизмов и внедрение в портативные высокоточные биологические тесты, которые в настоящее время используются только в лабораторных условиях. Исследование было недавно опубликовано в Scientific Reports .

Проектом руководил доктор Гильермо Агилар, профессор Джеймса и Ады Форсайт и заведующий кафедрой машиностроения Дж. Майка Уокера ’66 Техасского университета A&M.

Кавитация — быстрое образование и схлопывание пузырьков пара в жидкости — широко изучаемая область. Этот проект был направлен на то, чтобы лучше понять основы науки о динамике кавитации , а также определить потенциальные приложения.

«Хотя кавитация широко изучается, взаимодействие кавитационных пузырьков и струй с микро- или наноструктурами и ударными волнами по-прежнему является активной областью исследований», — сказал Агилар. «Это исследование также может помочь нам лучше понять и развивать новые технологии, такие как снижение эрозии за счет микроструктурирования поверхности и разработка эффективных устройств для микрофлюидного смешивания».

Исследователи использовали высокоскоростные камеры, оснащенные линзами микроскопа, а также лазерную кавитацию, чтобы задокументировать крошечные пузырьки, которые обычно имеют размер в один миллиметр и существуют всего одну десятую миллисекунды. Кроме того, в проекте использовалось несколько различных лазеров для различных целей на протяжении всего исследовательского процесса , в том числе фемтосекундный лазер для создания микрорельефа на поверхности мишени, наносекундный лазер для создания кавитации и лазер непрерывного действия для отслеживания частиц.

Методы позволили команде уловить воздушные карманы на поверхности микроструктуры и продемонстрировать, как эти воздушные карманы могут значительно уменьшить эрозию, обычно вызываемую механизмами явления кавитации. В то же время схлопывание кавитационных пузырьков вблизи поверхностей с микро- и наноузором усиливало перемешивание соприкасающейся жидкости.

«Мы считаем, что эта работа может стать отправной точкой для разработки приложений в области микрофлюидики и предотвращения эрозии», — сказал Агилар. «В будущем у нас могли бы появиться коммерческие микрожидкостные устройства, использующие этот метод для высокоточных биологических тестов на месте, которые в настоящее время ограничены лабораторными условиями. Мы также считаем, что этот метод можно внедрить, чтобы насосное оборудование работало больше. эффективно и дольше, что приведет к снижению затрат».

Одна из главных проблем этого проекта возникла при подготовке. При формировании команды для эффективного выполнения проекта требовалось множество специалистов в различных областях — задача, для которой инженеры-механики, по словам Агилара, хорошо подготовлены.

«Это можно охарактеризовать как междисциплинарный проект, включающий не только жидкости, но и оптику, фотонику и материаловедение», — сказал Агилар. «Как инженеры-механики , у нас есть обширная база знаний для решения подобных сложных проблем. Таким образом, такого рода междисциплинарные исследования в значительной степени зависят от командной работы».