NPE の新しい記事のプレビュー: 3D プリントされたパドルが流体を駆動し、マイクロポンプに使用されます

出典: ナノテクノロジーと精密工学

内容<br /> 従来の機械式変位マイクロポンプの欠点である駆動電圧の高さ、消費電力の高さ、変位量の小ささを解決するために、上海交通大学マイクロ/ナノ加工国家重点実験室の丁桂富教授の研究グループの唐志勇氏らは、振動するマイクロブレードに基づく能動型マイクロポンプの動作メカニズムを提案した。従来の膜ベースのマイクロポンプの動作原理とは異なり、この新しいタイプのマイクロポンプは、マイクロポンプシステムに微細構造を導入します。外部の振動源によって駆動される微細構造は、流体をある方向に動かして積極的に駆動することができます。著者らは、理論分析、モデルシミュレーション、実験など、複数の観点からこの新しい動作メカニズムの実現可能性を分析しました。 COMSOL シミュレーションに基づいて、マイクロポンプが流体を方向性を持って駆動する能力が実証され、この原理の理論的な実現可能性が証明されました。同時に、構造効果とサイズ効果がマイクロポンプの駆動性能に与える影響を研究した。最終的に、マイクロポンプは3Dプリント技術を使用して一体形成され、性能テストに直接使用されました。振動するマイクロパドルに基づいてマイクロ流体を操作するための新しいメカニズムが実験的に実証されました。この可動式マイクロブレードにより、流体を操作する可能性が広がります。

この記事のハイライト
1. 振動する微細構造をマイクロポンプシステムに革新的に導入し、微細構造が流体の直接駆動を実現します。
2. 加工技術に3Dプリント技術を導入することで、マイクロポンプのワンタイム成形を実現し、製品の研究開発サイクルと製造時間を大幅に短縮します。
3. マイクロモーターを直接駆動源として使用することで、非常に低い消費電力と電圧でマイクロポンプを駆動できます。

結論
1. COMSOL シミュレーションにより、流体を方向性を持って駆動する能力が実証されました。図 1 に示すように、V 字型のブレードは流れの方向を前方に制御できます。
2. 3D プリントされたプロトタイプのマイクロポンプをテストしました。テスト結果を図 2 に示します。テスト結果から、マイクロポンプは流体を一定方向に駆動することができ、ブレード構造がマイクロポンプの性能に影響を与えることが分かりました。
3. 図3に示すように、高さ写真を使用してマイクロポンプの特定の動作プロセスを検出します。さまざまな領域における流体の運動軌跡と、構造が流体に及ぼす方向駆動効果を観察しました。

図1 f = 50 Hz、A = 100 μmのときのサイクル内の異なる時間におけるマイクロ流体の流れのシミュレーション画像: (a) t = 0 T、(b) t = 0.25 T、(c) t = 0.5 T、(d) t = 0.75 T、(e) t = 1 T、(f–j) a–e状態に対応する圧力分布。
図2 8つの異なるパドル構造を備えたプロトタイプポンプの流量テスト結果。
背景マイクロ流体システムとは、微細スケールで複雑な流体を制御、操作、検出するシステムを指します。マイクロエレクトロニクス、マイクロメカニクス、バイオエンジニアリング、ナノテクノロジーに基づいて開発された学際的な分野です。マイクロ流体システムの機能的実現は、マイクロポンプ、マイクロバルブ、マイクロミキサー、マイクロリアクター、マイクロ検出器、マイクロセンサーなど、システムに統合される機能コンポーネントに依存します。作動流体は、マイクロポンプに依存するシステム全体の基礎であり、鍵となります。マイクロポンプは、サンプル損失が少なく、分析時間が短く、流量が高く、製造が統合されているなどの利点があるため、生化学分析/センシング、薬物送達、分子分離、マイクロエレクトロニクス冷却、動的環境検出などで広く使用されています。

動作原理により、機械式ポンプと非機械式ポンプに分けられます。機械式ポンプは、多くの場合、可動部品を利用して流体を駆動しますが、非機械式ポンプは、電力、磁力、静電気力、電気熱などの非機械的エネルギーを利用して流体を駆動します。機械式ポンプはあらゆる種類の液体を駆動できますが、動作状態が十分に安定していません。非機械式ポンプは可動部品を必要とせず、性能が安定しており、流量増幅と方向変換機能が優れています。電流が液体を通過すると、場合によってはジュール熱が発生し、電極ガスが形成されやすくなります。溶液のpH値とイオン濃度への依存度が高いため、バイオメディカルへの応用は限られており、応答が遅いです。実際に使用できる理想的なマイクロポンプには、多くの場合、低エネルギー消費、統合の容易さ、制御の容易さ、強力な駆動力、安定した性能などの特性が求められます。

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