p A cavitação hidrodinâmica é um grande fenômeno de mudança de fase que pode ocorrer com uma diminuição repentina na pressão estática local dentro de um fluido. O surgimento de sistemas microeletromecânicos (MEMS) e dispositivos microfluídicos de alta velocidade têm atraído considerável atenção com implementações em muitos campos, incluindo aplicações de cavitação. Em um novo estudo agora em Nature:Microsystems and Nanoengineering , Farzad Rokhsar Talabazar e colegas em Istambul, Turquia, A Suécia e a Suíça propuseram uma nova geração de dispositivos de cavitação em um chip com oito microcanais estruturados paralelos. A equipe usou água e uma suspensão de microbolhas de álcool polivinílico (PVA) como fluidos de trabalho no dispositivo. Os recursos do instrumento de cavitação em um chip de próxima geração têm aplicações em dispositivos microfluídicos ou órgão em um chip para liberação de drogas integradas e aplicações de engenharia de tecidos. p Cavitação hidrodinâmica

p A cavitação hidrodinâmica (HC) é um fenômeno de mudança de fase que envolve um líquido e começa quando a pressão estática cai para um valor crítico conhecido como pressão de vapor de saturação. O fenômeno inclui vaporização progressiva para a geração, crescimento e implosão de bolhas. Por exemplo, pequenas bolhas podem se formar em zonas de baixa pressão, normalmente na entrada de um elemento restritivo de fluxo onde bolhas de cavitação inercial podem crescer em um ciclo sucessivo até atingirem uma área de alta pressão. A cavitação é um fenômeno indesejável e a maioria dos estudos sobre a física da cavitação visa preveni-la ou diminuí-la. Os pesquisadores têm como objetivo projetar e fabricar dispositivos microfluídicos capazes de gerar bolhas de cavitação. Nesse trabalho, Talabazar et al. determinou a praticidade do conceito de cavitação em um chip para gerar fluxos de cavitação em pressões a montante mais baixas, para explorar sua capacidade para aplicativos de microssistema. Para este propósito, Talabazar et al. projetou um novo dispositivo microfluídico com oito curtos, microcanais paralelos como um dispositivo de cavitação em um chip de próxima geração. Eles observaram o efeito das microbolhas de álcool polivinílico (PVA) como um facilitador da cavitação no início e no desenvolvimento da cavitação. Os resultados comprovaram o alto desempenho do dispositivo para o início da cavitação e aplicações emergentes.

p Projeto e configuração do dispositivo microfluídico

p A equipe incorporou um microdispositivo com elementos restritivos de fluxo paralelo, onde o dispositivo microfluídico continha um canal de entrada para orientação de fluido na câmara de entrada. A câmara de entrada continha uma longa seção para permitir que o fluxo caótico transitório desaparecesse antes que o fluido entrasse na área do bocal. A equipe forneceu a pressão de entrada desejada ao sistema usando um tanque de nitrogênio de alta pressão do topo de um recipiente de líquido de aço. Então, usando um sistema de imagem, eles adquiriram imagens em intervalos de tempo muito curtos. Durante os experimentos, Talabazar et al. usou dois fluidos de trabalho com diferentes pressões de entrada de 0,2 a 1,1 MPa. Os resultados destacaram um dispositivo microfluídico de cavitação em um chip de nova geração. A equipe fez o dispositivo funcionar com alíquotas de água e microbolhas de álcool polivinílico. O estudo de prova de conceito destacou como o reator multifuncional eficiente pode ser explicado na prática. Os cientistas descreveram o processo de cavitação com base em parâmetros medidos a partir da configuração experimental de circuito aberto mencionada e alcançaram condições de fluxo de cavitação de folha desenvolvidas em um número de Reynolds inferior sob condições de fluxo laminar.

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p Dinâmica de microbolhas

p Quando comparado com as condições de início da cavitação, as condições de fluxo de cavitação mostraram taxas de crescimento mais rápidas de microbolhas, onde o tamanho da microbolha aumentou em altas pressões a montante. As microbolhas também podem se expandir além de um raio crítico, quando comparado com bolhas de cavitação. Estudos anteriores sobre cavitação por ultrassom relataram adicionalmente que as microbolhas atingiram a expansão máxima em um pico de pressão de transmissão negativa para então sofrer compressão imediata. Durante a cavitação hidrodinâmica, microbolhas se expandiram com uma diminuição repentina na pressão para demonstrar a dinâmica das microbolhas na configuração experimental; para demonstrar isso, Talabazar et al. usou a equação de Rayleigh-Plesset modificada. Notavelmente, a propriedade do invólucro da microbolha formou um parâmetro principal para fornecer rigidez suficiente para evitar a dissolução da bolha de gás. Como consequência, a equipe observou que as propriedades viscoelásticas das microbolhas de álcool polivinílico mantiveram um papel significativo na estabilização após a cavitação hidrodinâmica. Os resultados revelaram, adicionalmente, como o tamanho da microbolha desempenhou um papel dominante para o início e intensificação do processo de cavitação, fornecendo mais locais de nucleação para o crescimento da bolha.

p Panorama

p Desta maneira, Farzad Rokhsar Talabazar e seus colegas desenvolveram um dispositivo de nova geração de 'cavitação em um chip' que aloja oito microcanais curtos de estrutura paralela. O novo design diminuiu a pressão a montante para iniciar a cavitação hidrodinâmica. A configuração proposta permitiu a formação de diversos regimes de fluxo de cavitação a uma pressão ascendente constante em dispositivos de última geração. O instrumento descrito pode fornecer padrões de fluxo de cavitação com a mesma intensidade em uma energia de entrada mais baixa. A geometria do dispositivo e seus regimes de fluxo de cavitação em evolução são mais rápidos e fáceis para os microdispositivos existentes.

p A equipe usou dois fluidos de trabalho - suspensões de microbolhas de água e álcool polivinílico durante os experimentos, e as microbolhas forneceram mais locais de nucleação para facilitar o início a uma pressão a montante significativamente mais baixa para as microbolhas de álcool polivinílico em comparação com a água. Os fluxos de cavitação emergentes podem se desenvolver mais rapidamente e o dispositivo proposto de 'cavitação em um chip' tem maior potencial em várias aplicações envolvendo dispositivos microfluídicos para liberação integrada de medicamentos e aplicações de engenharia de tecidos. p © 2021 Science X Network