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 הפגיעה של טיפות לא-ניוטוניות של מתכות נוזליות ותלחיים גרנולריים צפופים באמצעות טכניקת דימוי מהירה. מטרה זו מושגת על ידי הקמת מערך מצלמה מהירה להדמיה של הדינמיקה הרגעית כאשר טיפות פוגעות במשטח. כשלב שני, יש לבצע סדרה של ניסויי פגיעה של מתכות נוזליות כדי לספק מידע על האופן שבו אלסטיות המשטח המושרה על ידי חמצון משפיעה על רדיוס הפריסה.
בשלב הבא, בצעו ניסויי פגיעה עם תרחיפים צפופים כדי לחקור את תחילת ההתזות ואת דינמיקת ההתפשטות שלהם. התוצאות המתקבלות מראות כי פרמטרים שונים של הנוזל, כגון מתח פנים אפקטיבי, צמיגות, מהירות פגיעה וקוטר החלקיקים התלויים, קובעים יחד את דינמיקת הפגיעה של טיפות לא-ניוטוניות. שיטה זו יכולה לסייע במתן מענה לשאלות מפתח בתחום התרחיפים הצפופים, כגון מתי ניתן לתאר את התנהגות המערכת באמצעות תכונותיה הגלובליות ומתי יש להתחשב בחלקיקים בודדים.
למרות שמדידה זו יכולה לספק תובנה לגבי דינמיקת הפגיעה של נוזל מורכב, ניתן להחיל אותה גם על תצפית של תהליכים אחרים הכוללים דינמיקה מהירה, כגון היווצרות מצבי שבירה, ניתוק מוצק של טיפות נוזל ותנועה מהירה של חלקיקים במערכות גרנולריות. התחילו בהכנת מערך הדמיון. רכיב אחד הוא מסילה אנכית המסוגלת לתמוך בתושבת של משאבת מזרקים, ובמשאבת המזרקים עצמה, כך שניתן יהיה להזיזה לגבהים שונים כדי לשנות את גובה הנפילה החופשית של נוזל הבדיקה.
לצד המסילה נמצא מסגרת התומכת בלוח זכוכית נקי המשמש כמישור פגיעה אופקי. ודא שפני השטח של הלוח מפולסים באופן אופקי. מקם מראה מחזירה נטויה מתחת למשטח הזכוכית כדי להדמיות את פגיעת הטיפה מלמטה.
בשלב הבא, הצמדו נייר לבן אטום מעל ללוח הזכוכית כדי להחזיר אור, ובכך לסייע לצפייה מלמטה לצורך הדמיית פגיעת המתכת הנוזלית. הניחו מפזר אור מנייר שקוף בכיוון הנגדי לכיוון הצפייה כדי לסייע להדמייה מהצד. לאחר מכן, הניחו מקור אור באזור שמאחורי המפזר.
הדליקו את מקורות האור כדי להאיר באופן אחיד את אזור הפגיעה. כעת, יישרו מצלמה עם עדשה מתאימה על חצובה כך שתוכל לדגום את פני השטח. חברו את המצלמה למחשב המשמש לבקרה ולתצוגה.
התחל את הכנת הדגימה עם gallium indium utic שנשמר במכל אטום בטמפרטורת החדר; השתמש בפיפט כדי להוציא שלושה מיליליטרים מהמכל. השג לוחה אקרילית והנח עליה את ה-gallium indium UTA. המתן 30 דקות עד שהדגימה תחליד באופן מלא באוויר.
שכבה דקה של עור מחומצן תכסה לחלוטין את פני הדגימה. יש לנקוט באמצעי זהירות מתאימים בעבודה עם חומצה כלורית ולהכין אמבט חומצה של 200 milliliter בכלי TER. ריכוז האמבט הוא פרמטר ניסויי.
הנח את הדגימה באמבט החומצה כאשר הדגימה נמצאת בתוך האמבט. השתמש ב-TER כדי לבצע גזיז במהירות של 60 סל"ש למשך 10 דקות. עם סיום השטיפה המקדימה בחומצה, הוצא את האמבט מה-ReMeter.
השתמש במזרק פלסטיק של 2 mL עם קצה פיה מפלדה של 1 עד 2 mm כדי להחלים את תמצית הדגימה, 1.5 mL של gallium indium actic מהאמבט. הדגימה מוכנה כעת לשימוש ולניסויים. התקן את המזרק על משאבת המזרקים להכנת דגימות עבור תרחיפים דחוסים.
הניסויים מתחילים באמצעות מזרק מסחרי שקצתו נגזרה כדי לשמש כצינור גלילי להגשת התוהה. כדי למלא את המזרק, השג תחילה מכל מים. הנח את קצה המזרק בתוך המים, משוך את הבוכנה לאחור כדי למלא אותו, וודא שאין בתוכו בועות אוויר.
בשלב הבא, החזיקו את המזרק כאשר הקצה הפתוח פונה כלפי מעלה. הכניסו חרוזי זירקוניום דיאוקסיד או חרוזי זכוכית כדוריים אל המזרק עד שיהיה מלא, ואפשרו למים להישפך החוצה. השתמשו בלהב תער כדי להסיר חלקיקים עודפים מהחלק העליון כדי להבטיח שקצה זה יישאר שטוח.
הפוך את המזרק והרכב אותו על משטח המשאבה. המתח ימנע מהחלקיקים ליפול החוצה. לפני הקלטת הסרטונים, נקט בצעדים לכיוון מערכות ההדמיה והתאורה ולכיול הרזולוציה המרחבית.
ראשית, הפעילו את משאבת המזרק כדי לדחוף את הנוזל בקצב של 20 milliliters per hour. המתינו עד שהנוזל, תרחיף צפוף, יתרחק מהמזרק וייפול כדי ליצור פגיעה ניסיונית על פני השטח של הזכוכית. לאחר התרחשות הפגיעה, כבו את משאבת המזרק.
לאחר מכן, כווננו את מיקום המצלמה ואת כיוונה עד שהטחה (splat) תוצג על המסך. בשלב הבא, הגדירו את יחס השחזור של התמונה ליחס של אחד לאחד ושנו את מרחק העבודה כך שהתמונה תהיה במישור המוקד, כאשר המצלמה מוגדרת לקצב פריימים שגבוה מ-6,000 frames per second. שנו את גודל המפתח, זמן החשיפה וזווית התאורה כדי להשיג את איכות התמונה הטובה ביותר.
לאחר מציאת הגדרות המצלמה, הניחו סרגל בשדה הראייה על המסך. השתמשו בסרגל כדי לחשב את הרזולוציה המרחבית על ידי ספירת מספר הפיקסלים הנכנסים בסנטימטר אחד. ודאו כי אין הבדל ברזולוציה בין הכיוון האופקי לכיוון האנכי.
לאחר כיול מערכת הדימוי, הפעל מחדש את משאבת המזרק בקצב של 20 milliliters per hour. במקביל, הכן את התוכנה לשליטה במצלמה לצורך ניטור תהליך הפגיעה לפני הקלטת הנתונים. תרגל מעקב קפדני מרגע תחילת היווצרות הטיפה כדי לאפשר הפעלה ידנית של המצלמה ברגע ניתוק הטיפה מהפיה.
לאחר רישום הנתונים, יש לערוך את הסרטון כך שיישאר רק החלק המכיל את ההתנגשות, ולשמור אותו כרצף תמונות לצורך ניתוח. טכניקת הדימוי המהיר שימשה לחקר ההתנגשות של gallium indium actic עם תחמוצות שונות. חוזק העור נקבע על ידי החומצה.
השטיפה המוקדמת המוצגת כאן היא סדרה של פריימים המראים את התפשטרותן של שלוש תמיסות שונות בעת פגיעתן במשטח זכוכית. כל טיפה נפלה מאותו גובה פיה ופגעה במהירות של כ-one meter per second. קוטר הטיפה הראשוני היה 6.25 millimeters ללא שטיפה מוקדמת.
שכבת תחמוצת מונעת מהנוזל להרפות את אנרגיית הפנים, מה שמוביל לצורה שאינה כדורית במהלך שלב הנפילה; שטיפת הדגימות וחומצה מפחיתות את התחמוצת ומחלישות את אפקט השכבה. בריכוזי חומצה גבוהים מספיק, לא נצפית הבדל בין הגליום, האינדיום לנוזלים רגילים.
הנתונים מאפשרים להדגים את המעבר ממשטר קפילרי למשטר צמיגי. הנתונים מתלכדים לעקומה אחת כאשר היחס בין הרדיוס ההתחלתי לסופי pm מחולק במספר ריינולדס בחזקת חמישית, מרושם מול היחס בין מספר ובר אפקטיבי למספר ריינולדס בחזקת ארבע חמישיות. תחילת הנתז במתלה צפוף נחקרה במשטר שבו פיזור צמיגי הוא זניח בהשוואה להשפעות אינרציאליות. זהו תרשים הפאזות של הנתז עבור צפיפויות חלקיקים ורדיוסים שונים, שמכפלתם מופיעה לאורך הציר האופקי.
הציר האנכי הוא מספר ובר (Weber number) של החלקיק כפי שהוגדר במאמר. העיגולים האדומים מציינים כי תמיד נמצא נתז. התמונה המוכנסת מציגה תמונה טיפוסית של נתז.
נקודות כחולות תואמות למקרים שבהם לא נמצא נתז. התמונה המוכנסת השנייה היא דוגמה לתמונה ללא נתז. מקרים שבהם נמצאו הן נתז והן היעדר נתז מסומנים בריבועים ירוקים.
הניסוי חזר על עצמו 10 פעמים עבור כל נקודה. התוצאות עקביות עם מספר Weber קריטי של כ-14 פלוס או מינוס 2. בעת ביצוע הליך זה, חשוב לתרגל את הכנת הדגימות ולקבוע את שבר האריזה (packing fraction) בתדירות גבוהה, כדי להבטיח ביטחון ביכולת להכין את הדגימות באופן עקבי.
דבר זה יבטיח כי תוצאות הניסוי שלך יהיו ניתנות לשחזור לאחר פיתוחו. טכניקה זו סללה את הדרך עבור חוקרים בתחום הנוזלים המורכבים לחקור את דינמיקת ההטבעה 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
