Устройства, которые работают с очень небольшими объемами жидкостей, применяются в различных областях, включая технологию печати, обработку ДНК и системы охлаждения для электроники. Для некоторых процессов, связанных с жидкостями, таких как смешивание, полезно создавать колеблющиеся потоки, но это может быть сложно для особенно вязких жидкостей. Теперь исследователи A * STAR разработали микрожидкостный осциллятор, который производит колебания даже в очень вязких жидкостях.
«В миниатюрных жидкостных устройствах вязкая сила жидкости доминирует над потоком, и смешивание становится сложной задачей», — говорит Хуанмин Ся из Сингапурского института производственных технологий A * STAR (SIMTech), который вместе с коллегами руководил исследованием. SIMTech и Институт высокопроизводительных вычислений A * STAR. «Микрожидкостной осциллятор — это часть наших постоянных усилий по решению этой проблемы».Микрожидкостные клапаны и насосы имеют диафрагмы, которые обычно изготавливаются из мягких материалов, таких как резина, и приводятся в действие за счет внешних сил. Тем не менее, крошечное устройство размером менее 4 миллиметров, разработанное командой Ся, не требует внешнего управления.
Вместо этого, когда диафрагма помещается в поток жидкости, она упруго реагирует на колебания вверх и вниз, заставляя устройство автоматически колебаться. Чтобы адаптировать конструкцию для использования с очень вязкими жидкостями, исследователи заменили резиновую диафрагму на диафрагму из меди и бериллиевой фольги.Хотя это устройство имеет практические преимущества, оно также поднимает теоретические выводы о поведении микрофлюидных осцилляторов. Команда обнаружила, что при низком давлении жидкости поток через диафрагму не колеблется.
Затем, выше определенного переходного давления, скорость потока падает и возникает колебательный поток, частота которого увеличивается по мере увеличения давления. После проведения экспериментальных и теоретических испытаний устройств различной формы, вязкости жидкости и толщины диафрагмы команда Ся смогла расширить существующие теории.«Колебания, вызванные потоком, обычно связаны с нестабильностью потока и анализируются с использованием модели пружины и массы», — объясняет Ся.
Переход от ламинарного потока к колебательному потоку в их новом осцилляторе был нелогичным, потому что повышенное давление приводило к снижению расхода. Команда обнаружила, что это поведение было похоже на «отрицательное дифференциальное сопротивление» — хорошо зарекомендовавшую себя концепцию, описывающую определенные электрические цепи, в которых повышенное напряжение приводит к более низкому току.Команда Ся в настоящее время разрабатывает полную математическую модель своего устройства, используя отрицательное сопротивление и другие концепции, «заимствованные» из теории электрических цепей.
Это должно помочь им оптимизировать конструкцию устройства для практического применения; например, улучшенное смешивание вязких жидкостей, обеспечиваемое устройством, может интенсифицировать и контролировать химические реакции.