טכניקת הדמיה מהירה ללמוד טיפת השפעת דינמיקה של נוזלים ללא הניוטונית
5 במרץ 2014
השפעת הירידה של נוזלים שאינם הניוטונית היא תהליך מורכב שכן פרמטרים פיזיים שונים להשפיע על הדינמיקה לאורך זמן קצר מאוד (פחות מעשירית מאלפית שני). טכניקת הדמיה מהר הוא הציג במטרה לאפיין את התנהגויות ההשפעה של נוזלים שאינם הניוטונית שונים.
המטרה הכוללת של הניסוי הבא היא לחקור את דינמיקת ההשפעה של טיפות לא ניוטניות של מתכות נוזליות ותרחיפים גרגירים צפופים באמצעות טכניקת הדמיה מהירה. זה מושג על ידי הקמת מתקן מצלמה מהיר כדי להמחיש את הדינמיקה המיידית כאשר טיפות פוגעות במשטח. כשלב שני, בצע סדרה של ניסויי השפעה של מתכות נוזליות כדי לספק מידע על האופן שבו גמישות פני השטח הנגרמת על ידי חמצון משפיעה על רדיוס ההתפשטות.
לאחר מכן, בצע ניסויי פגיעה עם מתלים צפופים כדי לחקור את תחילת ההתזה ודינמיקת ההתפשטות שלהם. מתקבלות תוצאות המראות פרמטרים שונים של נוזל, כגון מתח פנים אפקטיבי, צמיגות, מהירות פגיעה וקוטר חלקיקים תלויים יחד שולטים בדינמיקת ההשפעות של טיפות לא ניוטוניות. שיטה זו יכולה לעזור לענות על שאלות מפתח בתחום ההשעיות הצפופות, כגון מתי ניתן לתאר את התנהגות המערכת על ידי תכונותיה הגלובליות או כאשר יש לקחת בחשבון חלקיקים בודדים.
אם כי מדידה זו יכולה לספק תובנה לגבי דינמיקת ההשפעה של נוזל מורכב. ניתן ליישם אותו גם על תצפית על תהליכים אחרים הכוללים דינמיקה מהירה, כגון היווצרות מצבי שבר, צביטה מוצקה מטיפות נוזל טיפה ותנועת חלקיקים מהירה במערכות גרגירים התחל בהכנת מערך ההדמיה. רכיב אחד הוא מסילה אנכית המסוגלת לתמוך בתושבת משאבת מזרק, משאבת המזרק כך שניתן להזיז אותה לגבהים שונים כדי לשנות את גובה הנפילה החופשית של נוזל הבדיקה.
ליד המסלול מסגרת התומכת בפלטת זכוכית נקייה המשמשת כמישור פגיעה אופקי. ודא שמשטח הצלחת מפולס אופקית. מקם מראה רפלקטיבית משופעת מתחת למשטח הזכוכית כדי לדמיין את פגיעת הטיפה מלמטה.
לאחר מכן, חבר נייר לבן אטום מעל לוחית הזכוכית כדי להחזיר אור, כדי לסייע בתצוגה התחתונה של השפעת מתכת נוזלית בתמונה. הנח מפזר נייר שקוף מול viewכיוון כדי לסייע בהדמיית צד view. לאחר מכן הנח מקור אור באזור שמאחורי המפזר.
הפעל את מקורות האור כדי להאיר באופן אחיד את אזור הפגיעה. כעת יישר מצלמה עם עדשה מתאימה על חצובה כדי שתוכל לצלם את פני השטח. התחבר למצלמה למחשב המשמש לשליטה ותצוגה.
התחל בהכנת הדגימה עם גליום אינדיום אוטי שאוחסן במיכל אטום בטמפרטורת החדר, השתמש בפיפטה כדי לחלץ שלושה מיליליטר מהמיכל. השג צלחת אקרילית והוציא עליה את הגליום אינדיום UTA. המתן 30 דקות עד שהדגימה תחמצן לחלוטין באוויר.
שכבה דקה של עור מחומצן תכסה לחלוטין את משטח הדגימה. נקוט באמצעי זהירות נאותים לעבודה עם חומצה הידרוכלורית והכין אמבט חומצה של 200 מיליליטר בכלי TER. ריכוז האמבטיה הוא פרמטר ניסיוני.
הכניסו את הדגימה לאמבט החומצה עם הדגימה באמבטיה. השתמש ב-TER כדי לגזור אותו ב-60 סיבובים לשנייה למשך 10 דקות. לאחר שהחומצה נשטפת מראש, הוציאו את האמבטיה מהרימטר.
השתמש במזרק פלסטיק של שני מיליליטר עם קצה זרבובית פלדה של מילימטר עד שניים כדי לשחזר את הדגימה לחלץ 1.5 מיליליטר גליום אינדיום אקטי מהאמבטיה. הדגימה מוכנה כעת לשימוש ולניסויים. התקן את המזרק על משאבת המזרק, הכנת דגימה למתלים צפופים.
הניסויים מתחילים במזרק מסחרי שחתך את קצהו כדי להשתמש בו כצינור גלילי לחלוקת המתלה למילוי המזרק. ראשית, השג מיכל מים. הניחו את קצה המזרק במים, משכו את הבוכנה לאחור כדי למלא אותה, וודאו שאין בועת אוויר.
לאחר מכן, החזק את המזרק כשהקצה הפתוח כלפי מעלה. הכניסו זירקוניום דו חמצני כדורי או חרוזי זכוכית למזרק עד שהוא מלא, ואפשרו למים להישפך החוצה. השתמש בסכין גילוח כדי להסיר חלקיקים מחוברים נוספים מלמעלה כדי לשמור על קצה שטוח.
הפוך את המזרק והתקן אותו על משטח המשאבה. מתח ימנע את נפילת החלקיקים. לפני הקלטת סרטונים, נקוט בצעדים להתאמת מערכות ההדמיה והתאורה וכיול הרזולוציה המרחבית.
ראשית, הפעל את משאבת המזרק כדי לדחוף את הנוזל החוצה בקצב של 20 מיליליטר לשעה. המתן לנוזל כאן, מתלה צפוף שיתנתק מהמזרק וייפול כדי להשפיע על משטח הזכוכית. לאחר התרחשות הפגיעה, כבה את משאבת המזרק.
לאחר מכן התאם את מיקום המצלמה והכיוון עד להצגת המשטח על הצג. לאחר מכן, הגדר את יחס השכפול של התמונה לאחד לאחד ושנה את מרחק העבודה כך שהתמונה תהיה במישור המוקד כשהמצלמה מוגדרת למסגרת. יותר מ-6,000 פריימים לשנייה משנים את גודל הצמצם, החשיפה, הזמן וזווית התאורה כדי לקבל את התמונה האיכותית ביותר.
לאחר מציאת הגדרות המצלמה, הנח סרגל בשדה הראייה על הצג. השתמש בסרגל כדי לחשב את הרזולוציה המרחבית על-ידי ספירת מספר הפיקסלים המתאימים לסנטימטר אחד. ודא שאין הבדל ברזולוציה בין כיוונים אופקיים ואנכיים.
לאחר כיול מערכת ההדמיה, הפעל מחדש את משאבת המזרק במהירות של 20 מיליליטר לשעה. במקביל, הכינו את תוכנת בקרת המצלמה לניטור תהליך ההשפעה לפני הקלטת נתונים. תרגל התבוננות בזהירות כשהטיפה מתחילה להיווצר כדי לאפשר הפעלה ידנית של המצלמה ברגע שהטיפה מתנתקת מהזרבובית.
לאחר הקלטת הנתונים, ערכו את הסרטון לחלק המכיל את ההשפעה ושמרו אותו כרצף תמונות לניתוח. טכניקת ההדמיה המהירה שימשה לחקר ההשפעה של גליום אינדיום אקטי עם תחמוצת שונה. חוזק העור נקבע על ידי חומצה.
שטיפה מוקדמת המוצגת כאן היא מסגרות המציגות התפשטות של שלושה תכשירים שונים כשהם משפיעים על משטח זכוכית. כל טיפה נפלה מאותו גובה זרבובית ופגעה במהירות של כמטר לשנייה. קוטר הטיפה הראשוני היה 6.25 מילימטרים ללא שטיפה מוקדמת.
עור תחמוצת מונע מהנוזל להרגיע את אנרגיית פני השטח וכתוצאה מכך צורה לא כדורית בשלב הנפילה, שטיפת הדגימות והחומצה מפחיתה את התחמוצת ומחלישה את אפקט העור. בריכוזי חומצה חזקים מספיק. לא נצפה הבדל בין הגליום, האינדיום והנוזלים הרגילים.
הנתונים מאפשרים להדגים את המעבר ממשטר נימי למשטר צמיג. הנתונים קורסים לעקומה בודדת כאשר היחס בין הרדיוס ההתחלתי לסופי חלקי מספר ריינולדס בחזקת חמישית משורטט כנגד היחס בין מספר וובר אפקטיבי ומספר ריינולדס לארבע חמישיות התחלת התזה בהשעיה צפופה נחקר במשטר שבו פיזור הצמיגות זניח בהשוואה להשפעות האינרציאליות. זוהי דיאגרמת שלב ההתזה עבור צפיפויות חלקיקים שונות ורדיו שהתוצר שלו נמצא לאורך הציר האופקי.
הציר האנכי הוא מספר החלקיק וובר המוגדר בכתב היד. העיגולים האדומים מצביעים על כך שתמיד נמצא שפריץ. הכניסה מציגה תמונת פתיחה טיפוסית.
נקודות כחולות תואמות לאף התזה שלא נמצאה. הכניסה השנייה היא דוגמה לתמונת התזה שאינה שלא. מקרים שבהם נמצאו גם התזה וגם לא התזה מסומנים על ידי ריבועים ירוקים.
הניסוי חזר על עצמו 10 פעמים עבור כל נקודה. התוצאות עולות בקנה אחד עם מספר וובר קריטי של כ-14 פלוס מינוס שתיים. בזמן שאתה מנסה הליך זה, חשוב לתרגל את הכנת הדגימות שלך ולקבוע את שבר האריזה לעתים קרובות כדי שתהיה בטוח שתוכל להכין את הדגימות שלך באופן עקבי.
זה יבטיח שתוצאות הניסוי שלך יהיו ניתנות לשחזור לאחר פיתוחו. טכניקה זו סללה את הדרך לחוקרים בתחום הנוזלים המורכבים לחקור את דינמיקת ההשפעה של מערכות נוזלים מגוונות.
צפו בתמליל המלא וקבלו גישה לאלפי סרטונים מדעיים
סקירה כללית
מחקר זה בוחן את דינמיקת ההשפעה של טיפות נוזל לא-ניוטוניות, ובמיוחד מתכות נוזליות ותשעיות גרנולריות דחופות, באמצעות טכניקת דימות מהירה. מטרת המחקר היא להבין כיצד פרמטרים שונים של הנוזל משפיעים על התנהגות הטיפה בעת הפגיעה.
מרכיבי מפתח של המחקר
תחום מדעי
- דינמיקת נוזלים
- נוזלים নন-ניוטוניים
- מכניקת אימפקט
רקע
- נוזלים לא-ניוטוניים מראים התנהגויות מורכבות תחת מאמץ.
- הבנת הדינמיקה של פגיעת טיפות היא קריטית עבור יישומים שונים.
- טכניקות דימוי מהירות מאפשרות תצפית בזמן אמת על התנהגויות של נוזלים.
- חמצון ואלסטיות פני שטח עשויים להשפיע על דינמיקת הנוזלים.
מטרת המחקר
- לאפיין את התנהגויות הפגיעה של נוזלים בי-ניוטוניים.
- לבחון כיצד גמישות פני שטח משפיעה על רדיוס ההתפשטות.
- לחקור את תחילת ההשפרצה ודינמיקת ההתפשטות בסספנסיות דחוסות.
שיטות שנעשה בהן שימוש
- שימוש במתקן מצלמה מהירה לצורך ויזואליזציה.
- ביצוע ניסויי פגיעה עם מתכות נוזליות.
- ביצוע ניסויים עם תרחיפי גרנולות דחוסים.
- ניתוח השפעת הפרמטרים של הנוזל על דינמיקת הפגיעה.
תוצאות עיקריות
- פרמטרים שונים של נוזלים שולטים בדינמיקת ההשפעה של טיפות לא-ניוטוניות.
- מתח פנים אפקטיבי, צמיגות וקוטר חלקיקים ממלאים תפקידים משמעותיים.
- התוצאות מספקות תובנות לגבי המקרים בהם תכונות גלובליות שולטות על ההתנהגות לעומת חלקיקים בודדים.
- טכניקת הדמיה מהירה לוכדת בהצלחה את הדינמיקה המיידית.
מסקנות
- המחקר משפר את ההבנה של השפעות טיפות נונ-ניוטוניות.
- הממצאים יכולים להנחות מחקרים עתידיים בדינמיקה של נוזלים ובמדעי החומרים.
- דימות מהיר הוא כלי בעל ערך לחקר התנהגויות של נוזלים מורכבים.
שאלות נפוצות
רלוונטיות תעשייתית למנהלים
טכניקת דימות מהירה זו מאפשרת אפיון מדויק של דינמיקת פגיעה של נוזלים שאינם ניוטוניים, דבר שהוא קריטי להפחתת סיכונים בפורמולציות של הולכת תרופות, הדפסת הזרנת דיו ותהליכי ציפוי, שבהם התנהגות הטיפה משפיעה על ביצועי המוצר. על ידי פתרון תופעות בקנה מידה מיקרוסקופי ברזולוציה זמנית ומרחבית גבוהה, השיטה תומכת במידול חזוי של אינטראקציות בין נוזל למבנה, ובכך מפחיתה את ההסתמכות על ניסוי וטעייה אמפיריים בשלבים מוקדמים של הפיתוח. הגישה מספקת פלטפורמה ניתנת להרחבה להערכת האופן שבו פרמטרי פורמולציה, כגון צמיגות, מתח פשטה ועומס חלקיקים, משפיעים על תוצאות הפגיעה, ובכך מספקת מידע ישיר לקבלת החלטות לגבי המשך פיתוח (go/no-go) בבחירת מועמדים בשלב הפרה-קליני.
יישומים אסטרטגיים במו"פ של ביו-פארמה
גילוי מוקדם ותיקוף מטרה
- ערך מדעי: מאפשר לבחון כיצד חמצון פני שטח ומתח בין-ממשקי שולטים על התפשטות טיפות, ובכך תומך בהבנה מכניסטית של אינטראקציות בממשקים ביולוגיים.
- ערך תפעולי: מספק מדדים כמותיים של רדיוס ההתפשטות ותחילת השפריץ (splashing), ובכך מאפשר תיקוף פונקציונלי של תכונות נוזלים תחת תנאי פגיעה.
סריקה ופיתוח בדיקה
- ערך מדעי: מסייע בהכנה של בדיקות התנגשות טיפות הניתנות לשחזור, לצורך הערכת האופן שבו משתני פורמולציה משפיעים על התנהגות הנתזיים ופיזור האנרגיה.
- ערך תפעולי: מספק פלטי הדמיה סטנדרטיים ברזולוציה גבוהה, המבטיחים עקביות של הבדיקה בין מערכות נוזלים שונות ובסבבי ניסויים שונים.
מחקר תרגומי ופרה-קליני
- ערך מדעי: תומך במידול רלוונטי למחלות של הולכת תרופות רירית או ריאתית, שבהם השפעת טיפות לא-ניוטונית קובעת את יעילות השקיעה.
- ערך תפעולי: מאפשר קבלת החלטות על קידום מותאם-סיכון על ידי קישור ספי פרמטרים של נוזלים למשטרי השפעה שנצפו, ובכך משפר את הביטחון החזוי בביצועי הפורמולציה.
שילוב תהליכי עבודה וצינורות עיבוד
הטכניקה משתלבת ברצף הגילוי על ידי מתן אפשרות לבדיקת היפותזות בסריקה של ניסוחים ראשוניים, אספקת אנליטיקה כמותית לזיהוי מובילים (leads), ותמיכה ברציפות תרגומית באמצעות מדדי השפעה רלוונטיים ביו-מכנית.
- ביולוגיה של הגילוי: תומך בבדיקת השערות לגבי האופן שבו משנים של פני השטח ותלויות חלקיקים משפיעים על דינמיקת טיפות בעת פגיעה, ובכך מבהיר קשרי מבנה-תפקוד בנוזלים מורכבים.
- סריקה: מספק מוכנות לבדיקה באמצעות ויזואליזציה סטנדרטית של פגיעה, ומבטיח כימות הדיר בשחזור של נקודאי קצבי הפריסה וההתזת בנוזלים מספריות פורמולציות שונות.
- אנליטיקה: מייצר מדידות כמותיות של שדה הזרימה, מרחק הפריסה ומהירות ההתזה מתוך ניתוח וידאו, מה שמאפשר השוואה אובייקטיבית של תגובות נוזלים תחת תנאי פגיעה מבוקרים.
- מחקר תרגומי: מקשר לרלוונטיות פרה-קלינית על ידי מידול דינמיקת פגיעה במערכות המדמות משטחים ביולוגיים, כגון שכבות אפיתליאליות או מחסומי רירית, שבהם התנהגות הטיפות משפיעה על הזמינות הביולוגית.
- שימוש חוזר ארגוני: משמש כפלטפורמה הניתנת לשימוש חוזר להערכת מערכות נוזלים מגוונות — מאנלוגים של מתכת נוזלית ועד לתליות ביופולימרים — בפרויקטים מרובים ללא צורך בתיקוף מחדש של פרמטרי הדמיה מרכזיים.
השפעה תפעולית וארגונית
- ערך מדעי: מגביר את הביטחון החזוי על ידי הפחתת העמימות המכניסטית באופן שבו תכונות לא-ניוטוניות קובעות את תוצאות ההתנגשות, ובכך מאפשר תכנון פורמולציות המבוסס על עקרונות יסוד.
- ערך תפעולי: מבטיח סטנדרטיזציה ויכולת הרחבה באמצעות פרוטוקולי דימוי מכויילים השומרים על רזולוציה של 10 µm/pixel ורזולוציה זמנית של מיקרו-שנייה בין משתמשים ואתרים שונים.
- ערך אסטרטגי: משפר את יעילות ההון על ידי זיהוי מוקדם של פורמולציות שאינן ישימות באמצעות ספי השפרצה והתפשטות אובייקטיביים, ובכך מפחית את הסיכון לכשל בשלבים מאוחרים של פיתוח מכשיר ההגשה.
- השפעה על פורטפוליו: מאפשר תעדוף מותאם סיכון על ידי קישור מרחב הפרמטרים של הנוזל למפות משטרי התנגשות, ובכך תומך בהחלטות קידום מונחות נתונים בצינורות הפיתוח של הפורמולציות.
שיקולי יישום
- דורש מומחיות בצילום וידאו במהירות גבוהה, מכניקת נוזלים וניתוח תמונות לצורך סנכרון של טריגר המצלמה, התאורה והכיול המרחבי לקבלת לכידה מדויקת של האימפקט.
- תלוי במכשור הכולל מצלמה במהירות גבוהה (≥6,000 fps), עדשת מאקרו עם מרחק עבודה ארוך, מערכת תאורה מסונכרנת והזרקה מדויקת של נוזלים באמצעות משאבת מזרק.
- מצריך סטנדרטיזציה בין-צוותית של הכנת משטח האימפקט, פרוטוקולי טעינת נוזלים ובקרות סביבתיות כדי להבטיח הדירות במכמרי סריקה של פורמולציות.
- כולל שיקולי התאמה בעת מעבר מנוזלים מדגמיים (למשל, גליום-אינדיום חמוצן, תמיסות זירקוניום דיאוקסיד) למערכות רלוונטיות ביולוגית כגון הידרוגלים, מוצינים או ננו-חלקיקי ליפידים, שבהם תכונות השטח והריאולוגיה שונות באופן משמעותי.
- כולל מגבלות מעשיות כגון הצורך במשטחי אימפקט נגישים אופטית ומגבלות על גודל הטיפה ומהירות האימפקט עקב קצבי הזרימה של משאבת המזרק וגאומטריית הדיזה, כפי שצוין בהגדרות הדורשות הפעלה ידנית בנקודת ניתוק הטיפה.
שאלות נפוצות בביופארמה
Chapters in this video
0:05
Title
1:42
Fast Imaging Setup
3:03
Sample Preparation: Oxidized Liquid Metal
4:18
Sample Preparation: Dense Suspensions
5:12
Calibration
6:29
Video Recording and Data Acquisition
7:07
Results: Fast Imaging Studies of Splash Dynamics in Gallium-Indium Eutectic and Splash Onset in Dense Suspensions
9:27
Conclusion
