La cavitation hydrodynamique est un phénomène majeur de changement de phase qui peut se produire avec une diminution brutale de la pression statique locale au sein d'un fluide. L'émergence des systèmes microélectromécaniques (MEMS) et des dispositifs microfluidiques à grande vitesse a attiré une attention considérable avec des implémentations dans de nombreux domaines, y compris les applications de cavitation. Dans une nouvelle étude maintenant sur Nature :Microsystèmes et Nano-ingénierie , Farzad Rokhsar Talabazar et ses collègues à Istanbul Turquie, La Suède et la Suisse ont proposé une nouvelle génération de dispositifs de cavitation sur puce avec huit microcanaux structurés parallèles. L'équipe a utilisé de l'eau et une suspension de microbulles d'alcool polyvinylique (PVA) comme fluides de travail dans l'appareil. Les caractéristiques de l'instrument de cavitation sur puce de nouvelle génération ont des applications dans les dispositifs microfluidiques ou d'organes sur puce pour des applications intégrées de libération de médicaments et d'ingénierie tissulaire.

Cavitation hydrodynamique

La cavitation hydrodynamique (HC) est un phénomène de changement de phase qui implique un liquide et commence lorsque la pression statique chute à une valeur critique connue sous le nom de pression de vapeur saturante. Le phénomène comprend une vaporisation progressive pour la génération, croissance et implosion de bulles. Par exemple, de petites bulles peuvent se former dans les zones de basse pression, typiquement à l'entrée d'un élément restrictif d'écoulement où les bulles de cavitation inertielle peuvent croître dans un cycle successif jusqu'à ce qu'elles atteignent une zone de haute pression. La cavitation est un phénomène indésirable et la plupart des études sur la physique de la cavitation visent à la prévenir ou à la diminuer. Les chercheurs visent à concevoir et fabriquer des dispositifs microfluidiques capables de générer des bulles de cavitation. Dans ce travail, Talabazar et al. déterminé la faisabilité du concept de cavitation sur puce pour générer des écoulements cavitaires à des pressions en amont plus faibles, pour explorer leur capacité pour les applications de microsystèmes. Dans ce but, Talabazar et al. conçu un nouveau dispositif microfluidique avec huit courts, micro-canaux parallèles en tant que dispositif de cavitation sur puce de nouvelle génération. Ils ont noté l'effet des microbulles d'alcool polyvinylique (PVA) en tant que facilitateur de la cavitation sur la création et le développement de la cavitation. Les résultats ont prouvé la haute performance de l'appareil pour la création de cavitation et les applications émergentes.

L'équipe a incorporé un microdispositif avec des éléments restrictifs de flux parallèles où le dispositif microfluidique contenait un canal d'admission pour le guidage du fluide dans la chambre d'admission. La chambre d'admission contenait une longue section pour permettre à l'écoulement chaotique transitoire de disparaître avant que le fluide n'entre dans la zone de la buse. L'équipe a fourni la pression d'entrée souhaitée au système à l'aide d'un réservoir d'azote à haute pression depuis le haut d'un conteneur de liquide en acier. Puis à l'aide d'un système d'imagerie, ils ont acquis des images dans des intervalles de temps très courts. Lors des expérimentations, Talabazar et al. utilisé deux fluides de travail avec des pressions d'entrée différentes de 0,2 à 1,1 MPa. Les résultats ont mis en évidence un dispositif microfluidique de cavitation sur puce de nouvelle génération. L'équipe a fait fonctionner l'appareil avec des aliquotes d'eau et de microbulles d'alcool polyvinylique. L'étude de preuve de concept a mis en évidence comment le réacteur multifonctionnel efficace peut être expliqué dans la pratique. Les scientifiques ont décrit le processus de cavitation sur la base de paramètres mesurés à partir de la configuration expérimentale en boucle ouverte mentionnée et ont atteint des conditions d'écoulement de cavitation en feuille développées à un nombre de Reynolds inférieur dans des conditions d'écoulement laminaire.

Dynamique des microbulles

Par rapport aux conditions initiales de cavitation, les conditions d'écoulement de cavitation ont montré des taux de croissance plus rapides des microbulles, où la taille des microbulles augmente à des pressions amont élevées. Les microbulles pourraient également s'étendre au-delà d'un rayon critique, par rapport aux bulles de cavitation. Des études antérieures sur la cavitation par ultrasons ont en outre rapporté que les microbulles atteignaient une expansion maximale à une pression de transmission négative maximale pour ensuite subir une compression immédiate. Pendant la cavitation hydrodynamique, les microbulles se sont dilatées avec une diminution soudaine de la pression pour démontrer la dynamique des microbulles dans le dispositif expérimental ; pour le démontrer, Talabazar et al. utilisé l'équation de Rayleigh-Plesset modifiée. Notamment, la propriété de l'enveloppe des microbulles a formé un paramètre majeur pour fournir une rigidité suffisante pour empêcher la dissolution des bulles de gaz. En conséquence, l'équipe a noté que les propriétés viscoélastiques des microbulles d'alcool polyvinylique maintenaient un rôle important pour se stabiliser après la cavitation hydrodynamique. Les résultats ont en outre révélé comment la taille des microbulles a joué un rôle dominant dans le démarrage et l'intensification du processus de cavitation en fournissant plus de sites de nucléation pour la croissance des bulles.

Perspectives

De cette façon, Farzad Rokhsar Talabazar et ses collègues ont conçu un dispositif de « cavitation sur puce » de nouvelle génération contenant huit microcanaux courts structurés en parallèle. La nouvelle conception a diminué la pression en amont pour initier la cavitation hydrodynamique. La configuration proposée a permis la formation de divers régimes d'écoulement cavitaire à une pression constante en amont dans des dispositifs de pointe. L'instrument décrit peut fournir des modèles d'écoulement cavitaire avec la même intensité à une énergie d'entrée inférieure. La géométrie du dispositif et ses régimes d'écoulement cavitaires évolutifs sont plus rapides et faciles pour les microdispositifs existants.

L'équipe a utilisé deux fluides de travail :de l'eau et des suspensions de microbulles d'alcool polyvinylique pendant les expériences, et les microbulles ont fourni plus de sites de nucléation pour faciliter le démarrage à une pression en amont significativement plus faible pour les microbulles d'alcool polyvinylique par rapport à l'eau. Les flux de cavitation émergents peuvent se développer plus rapidement et le dispositif de «cavitation sur puce» proposé a un potentiel plus élevé dans de multiples applications impliquant des dispositifs microfluidiques pour des applications intégrées de libération de médicaments et d'ingénierie tissulaire.

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