Technika szybkiego obrazowania do badania dynamiki uderzeń kropli płynów nienewtonowskich
5 marca 2014
Wpływ kropli płynów nienewtonowskich jest złożonym procesem, ponieważ różne parametry fizyczne wpływają na dynamikę w bardzo krótkim czasie (mniej niż jedna dziesiąta milisekundy). Wprowadzono technikę szybkiego obrazowania w celu scharakteryzowania zachowań zderzeniowych różnych płynów nienewtonowskich.
Ogólnym celem poniższego eksperymentu jest zbadanie dynamiki zderzeń nienewtonowskich kropelek ciekłych metali i gęstych granulowanych zawiesin przy użyciu techniki szybkiego obrazowania. Osiąga się to poprzez zainstalowanie szybkiej kamery, która wizualizuje chwilową dynamikę, gdy kropelki uderzają w powierzchnię. W drugim kroku należy przeprowadzić serię eksperymentów udarowych ciekłych metali, aby uzyskać informacje o tym, jak elastyczność powierzchni wywołana utlenianiem wpływa na promień rozprzestrzeniania się.
Następnie przeprowadź eksperymenty zderzeniowe z gęstymi zawiesinami, aby zbadać ich początek rozpryskiwania i dynamikę rozprzestrzeniania się. Uzyskano wyniki, które pokazują, że różne parametry płynu, takie jak efektywne napięcie powierzchniowe, lepkość, prędkość uderzenia i średnica zawieszonych cząstek, razem rządzą dynamiką uderzeń kropel nienewtonowskich. Metoda ta może pomóc odpowiedzieć na kluczowe pytania w dziedzinie gęstych zawiesin, np. kiedy zachowanie układu można opisać za pomocą jego globalnych właściwości lub kiedy należy wziąć pod uwagę pojedyncze cząstki.
Chociaż ten pomiar może zapewnić wgląd w dynamikę wpływu złożonego płynu. Może być również stosowany do obserwacji innych procesów, które obejmują szybką dynamikę, takich jak powstawanie stanów pękania, ściskanie ciał stałych z kropli cieczy kropli i szybki ruch cząstek w systemach granulek Rozpocznij od przygotowania zestawu do obrazowania. Jednym z elementów jest pionowa prowadnica, która może podtrzymywać mocowanie pompy strzykawkowej, pompę strzykawkową, dzięki czemu można ją przesuwać na różne wysokości, aby zmienić wysokość swobodnego spadania płynu testowego.
Obok toru znajduje się rama, która podtrzymuje czystą szklaną płytę, która służy jako pozioma płaszczyzna uderzenia. Upewnij się, że powierzchnia płyty jest wyrównana w poziomie. Umieść nachylone lustro odblaskowe pod szklaną powierzchnią, aby zobrazować uderzenie kropli od dołu.
Następnie przymocuj nieprzezroczysty biały papier nad szklaną płytą, aby odbijać światło, aby ułatwić oglądanie z dołu i obrazowanie uderzenia ciekłego metalu. Umieść przezroczysty papierowy dyfuzor naprzeciwko kierunku view, aby ułatwić obrazowanie z boku. Następnie umieść źródło światła w obszarze za dyfuzorem.
Włącz źródła światła, aby równomiernie oświetlić obszar uderzenia. Teraz wypoziomuj kamerę z odpowiednim obiektywem na statywie, aby mogła obrazować powierzchnię. Podłącz aparat do komputera używanego do sterowania i wyświetlania.
Przygotowanie próbki należy rozpocząć od galu indowo-utycznego, który był przechowywany w szczelnie zamkniętym pojemniku W temperaturze pokojowej za pomocą pipety wyekstrahować trzy mililitry z pojemnika. Zaopatrz się w płytę akrylową i wyciśnij na nią UTA z galu indu. Odczekać 30 minut, aż próbka zostanie całkowicie utleniona w powietrzu.
Cienka warstwa utlenionej skóry całkowicie pokryje powierzchnię próbki. Podejmij odpowiednie środki ostrożności podczas pracy z kwasem solnym i przygotuj 200 mililitrową kąpiel kwasową w naczyniu Ter. Stężenie kąpieli jest parametrem eksperymentalnym.
Umieścić próbkę w kąpieli kwasowej razem z próbką w kąpieli. Użyj TER, aby ścinać go z prędkością 60 obrotów na sekundę przez 10 minut. Po wstępnym umyciu kwasem wyjmij kąpiel z ReMeter.
Użyj plastikowej strzykawki o pojemności dwóch mililitrów z końcówką dyszy stalowej o średnicy od jednego do dwóch milimetrów, aby odzyskać próbkę ekstraktu 1,5 mililitra akcyku galu indu z kąpieli. Próbka jest teraz gotowa do użycia i eksperymentów. Zamontuj strzykawkę na pompie strzykawkowej, przygotuj próbkę do gęstych zawiesin.
Eksperymenty rozpoczynają się od komercyjnej strzykawki, odcinającej jej koniec, aby użyć jej jako cylindrycznej rurki do dozowania zawiesiny Aby napełnić strzykawkę. Najpierw zdobądź pojemnik z wodą. Umieść koniec strzykawki w wodzie, pociągnij tłok do tyłu, aby go napełnić, upewniając się, że nie ma pęcherzyków powietrza.
Następnie należy przytrzymać strzykawkę otwartym końcem do góry. Umieścić sferyczny dwutlenek cyrkonu lub szklane kulki w strzykawce, aż będzie pełna, pozwalając wodzie. Użyj żyletki, aby usunąć dodatkowe splecione cząstki z góry, aby utrzymać ten koniec płasko.
Obrócić strzykawkę i zamontować ją na powierzchni pompy. Napięcie zapobiegnie wypadaniu cząstek. Przed nagraniem filmów należy podjąć kroki w celu dostosowania systemów obrazowania i oświetlenia oraz skalibrowania rozdzielczości przestrzennej.
Najpierw uruchom pompę strzykawkową, aby wypchnąć płyn z szybkością 20 mililitrów na godzinę. Poczekaj, aż płyn tutaj, gęsta zawiesina, oderwie się od strzykawki i spadnie, aby wywrzeć próbne uderzenie w szklaną powierzchnię. Po wystąpieniu uderzenia wyłączyć pompę strzykawkową.
Następnie dostosuj pozycję i orientację kamery, aż rozprysk pojawi się na monitorze. Następnie ustaw współczynnik odtworzenia obrazu na jeden do jednego i zmodyfikuj odległość roboczą tak, aby obraz znajdował się w płaszczyźnie ogniskowej z aparatem ustawionym na klatkę. Powyżej 6 000 klatek na sekundę zmienia rozmiar przysłony, ekspozycję, czas i kąt oświetlenia, aby uzyskać najlepszą jakość obrazu.
Po znalezieniu ustawień aparatu umieść linijkę w polu view na monitorze. Użyj linijki, aby obliczyć rozdzielczość przestrzenną, zliczając liczbę pikseli, które mieszczą się w jednym centymetrze. Upewnij się, że nie ma różnicy w rozdzielczości między kierunkiem poziomym i pionowym.
Po skalibrowaniu systemu obrazowania należy ponownie uruchomić pompę strzykawkową z prędkością 20 mililitrów na godzinę. W tym samym czasie przygotuj oprogramowanie sterujące kamerą do monitorowania procesu uderzenia przed zapisaniem danych. Ćwicz uważne obserwowanie, gdy kropla zaczyna się formować, aby umożliwić ręczne wyzwolenie kamery w momencie, gdy kropla odczepi się od dyszy.
Po zarejestrowaniu danych zmontuj wideo do części zawierającej wpływ i zapisz ją jako sekwencję obrazów do analizy. Technika szybkiego obrazowania została wykorzystana do zbadania wpływu aktyku galu indu na różne tlenki. Wytrzymałość skóry określona przez kwas.
Pokazane tutaj mycie wstępne to ramki pokazujące rozprowadzanie się trzech różnych preparatów w momencie ich uderzenia w szklaną powierzchnię. Każda kropla spadała z tej samej wysokości dyszy i uderzała z prędkością około jednego metra na sekundę. Początkowa średnica kropli wynosiła 6,25 milimetra bez prania wstępnego.
Skóra tlenkowa zapobiega rozluźnieniu energii powierzchniowej przez płyn, co skutkuje niesferycznym kształtem podczas opadania, mycia próbek, a kwas redukuje tlenek i osłabia efekt skóry. Przy wystarczająco silnych stężeniach kwasów. Nie obserwuje się różnicy między galem, indem a zwykłymi płynami.
Dane pozwalają na wykazanie przejścia z reżimu kapilarnego do reżimu lepkiego. Dane załamują się do pojedynczej krzywej, gdy stosunek początkowego do końcowego promienia pm podzielony przez liczbę Reynoldsa do jednej piątej potęgi jest wykreślany w stosunku do efektywnej liczby Webera, a liczba Reynoldsa do czterech kwint potęgi początek rozprysku w gęstej zawiesinie była badana w reżimie, w którym rozpraszanie lepkości jest znikome w porównaniu z efektami bezwładności. To jest wykres fazy rozpryskiwania dla różnych gęstości cząstek i radia, którego iloczyn znajduje się wzdłuż osi poziomej.
Oś pionowa to cząstka o liczbie Webera zdefiniowana w manuskrypcie. Czerwone kółka oznaczają, że zawsze znajdowano rozprysk. Wstawka przedstawia typowy obraz powitalny.
Niebieskie kropki oznaczają, że nie znaleziono rozprysku. Druga wstawka jest przykładem obrazu powitalnego nons. Przypadki, w których znaleziono zarówno rozprysk, jak i brak rozprysku, są oznaczone zielonymi kwadratami.
Eksperyment powtórzono 10 razy dla każdego punktu. Wyniki są zgodne z krytyczną liczbą Webera wynoszącą około 14 plus minus dwa. Próbując wykonać tę procedurę, ważne jest, aby ćwiczyć pobieranie próbek i często określać frakcję opakowania, aby mieć pewność, że możesz konsekwentnie wytwarzać próbki.
Zapewni to, że wyniki eksperymentu będą powtarzalne po jego opracowaniu. Technika ta utorowała drogę naukowcom zajmującym się płynami złożonymi do zbadania dynamiki wpływu różnych układów cieczowych.
Wyświetl pełny transkrypt i uzyskaj dostęp do tysięcy filmów naukowych
Przegląd
Niniejsze badanie analizuje dynamikę uderzenia kropel nie-newtonowskich, w szczególności metali ciekłych oraz gęstych zawiesin granularnych, z wykorzystaniem techniki szybkiego obrazowania. Celem badań jest zrozumienie, w jaki sposób poszczególne parametry płynu wpływają na zachowanie kropli podczas uderzenia.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Dynamika płynów
- Płyny nienewtonowskie
- Mechanika uderzeń
Wprowadzenie
- Płyny nienewtonowskie wykazują złożone zachowania pod wpływem naprężeń.
- Zrozumienie dynamiki uderzenia kropli jest kluczowe dla wielu zastosowań.
- Szybkie techniki obrazowania umożliwiają obserwację zachowań płynów w czasie rzeczywistym.
- Utlenianie i elastyczność powierzchni mogą wpływać na dynamikę płynów.
Cel badania
- Aby scharakteryzować zachowanie płynów nienewtonowskich podczas uderzenia.
- Aby zbadać, w jaki sposób elastyczność powierzchni wpływa na promień rozprzestrzeniania się.
- Aby zbadać początek rozbryzgu oraz dynamikę rozprzestrzeniania się w gęstych zawiesinach.
Zastosowane metody
- Wykorzystanie aparatury do szybkiego filmowania w celu wizualizacji.
- Przeprowadzanie eksperymentów z uderzeniami metali ciekłych.
- Wykonywanie doświadczeń z gęstymi zawiesinami granularnymi.
- Analiza wpływu parametrów płynu na dynamikę uderzenia.
Główne wyniki
- Dynamikę uderzenia kropli nie-newtonowskich determinują różne parametry płynu.
- Kluczową rolę odgrywają efektywne napięcie powierzchniowe, lepkość oraz średnica cząstek.
- Wyniki pozwalają zrozumieć, kiedy zachowanie dominuje dzięki właściwościom globalnym, a kiedy dzięki pojedynczym cząstkom.
- Technika szybkiego obrazowania pozwala na skuteczne uchwycenie dynamiki chwilowej.
Wnioski
- Badanie pogłębia zrozumienie uderzeń kropel cieczy nienewtonowskich.
- Wyniki mogą stać się podstawą dla przyszłych badań w dziedzinie dynamiki płynów i inżynierii materiałowej.
- Szybka analiza obrazu jest cennym narzędziem do badania złożonych zachowań płynów.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Ta szybka technika obrazowania umożliwia precyzyjną charakterystykę dynamiki uderzenia cieczy nienewtonowskich, co jest kluczowe dla ograniczania ryzyka przy opracowywaniu formulacji w dostarczaniu leków, druku atramentowego oraz procesach powlekania, gdzie zachowanie kropel wpływa na wydajność produktu. Dzięki rozdzielczości zjawisk w skali mikro w wysokiej rozdzielczości czasowej i przestrzennej, metoda ta wspiera modelowanie predykcyjne oddziaływań ciecz-struktura, ograniczając poleganie na empirycznych próbach i błędach na wczesnych etapach rozwoju. Podejście to zapewnia skalowalną platformę do oceny, w jaki sposób parametry formulacji, takie jak lepkość, napięcie powierzchniowe i zawartość cząstek, wpływają na wyniki uderzenia, bezpośrednio informując decyzje o kontynuacji lub przerwaniu prac podczas wyboru kandydatów w badaniach przedklinicznych.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wstępna faza odkryć i walidacja celu
- Wartość naukowa: Umożliwia badanie wpływu utleniania powierzchni i napięcia międzyfazowego na rozprzestrzenianie się kropli, co wspiera mechanistyczne zrozumienie oddziaływań na biointerfejsach.
- Wartość operacyjna: Dostarcza ilościowych odczytów promienia rozprzestrzeniania i momentu rozpoczęcia rozbryzgu, umożliwiając funkcjonalną walidację właściwości płynów w warunkach uderzenia.
Przesiewy i opracowywanie testów
- Wartość naukowa: Ułatwia przygotowanie powtarzalnych testów uderzenia kropli w celu oceny wpływu zmiennych formulacji na zachowanie rozbryzgu oraz rozproszenie energii.
- Wartość operacyjna: Dostarcza zestandaryzowane obrazy o wysokiej rozdzielczości, które zapewniają spójność testów w różnych układach płynów i seriach eksperymentalnych.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Wartość naukowa: Wspiera modelowanie dostarczania leków do błon śluzowych lub płuc w kontekście chorobowym, gdzie uderzenie kropli nie-newtonowskiej determinuje efektywność depozycji.
- Wartość operacyjna: Umożliwia podejmowanie decyzji o rozwoju produktu z uwzględnieniem ryzyka poprzez powiązanie progów parametrów płynu z obserwowanymi reżimami uderzenia, co zwiększa pewność prognostyczną w zakresie działania formulacji.
Integracja potoku i przepływu pracy
Technika ta wpisuje się w proces odkrywania poprzez umożliwienie weryfikacji hipotez podczas wstępnego przesiewu formulacji, dostarczenie analityki ilościowej niezbędnej do identyfikacji wiodących związków oraz zapewnienie ciągłości translacyjnej dzięki zastosowaniu wskaźników wpływu o znaczeniu biomechanicznym.
- Biologia odkrywcza: Wspiera testowanie hipotez dotyczących wpływu modyfikatorów powierzchni i zawiesin cząstek na dynamikę kropli podczas uderzenia, wyjaśniając zależności struktura-funkcja w płynach złożonych.
- Przesiewanie: Zapewnia gotowość testów dzięki standaryzowanej wizualizacji uderzenia, gwarantując powtarzalną kwantyfikację punktów końcowych rozprzestrzeniania i rozpryskiwania w bibliotekach formulacji.
- Analityka: Generuje ilościowe pomiary pola przepływu, dystansu rozprzestrzeniania i prędkości rozpryskiwania na podstawie analizy wideo, umożliwiając obiektywne porównanie odpowiedzi płynów w kontrolowanych warunkach uderzenia.
- Badania translacyjne: Odnosi się do znaczenia przedklinicznego poprzez modelowanie dynamiki uderzenia w układach naśladujących powierzchnie biologiczne, takich jak warstwy nabłonkowe lub bariery śluzowe, gdzie zachowanie kropli wpływa na biodostępność.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Służy jako wielokrotnego użytku platforma do oceny różnorodnych układów płynów — od analogów metali ciekłych po zawiesiny biopolimerowe — w wielu projektach bez konieczności ponownej walidacji podstawowych parametrów obrazowania.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorstwowy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność prognostyczną poprzez redukcję niejednoznaczności mechanistycznej w zakresie tego, jak właściwości nienewtonowskie wpływają na wyniki uderzenia, umożliwiając projektowanie formulacji w oparciu o podstawowe zasady fizyczne.
- Wartość operacyjna: Zapewnia standaryzację i skalowalność dzięki skalibrowanym protokołom obrazowania, które utrzymują rozdzielczość 10 µm/pixel oraz rozdzielczość czasową rzędu mikrosekund niezależnie od użytkownika i ośrodka.
- Wartość strategiczna: Poprawia efektywność kapitałową poprzez wczesną identyfikację niewykonalnych formulacji na podstawie obiektywnych progów rozprysku i rozprzestrzeniania się, co zmniejsza ryzyko niepowodzenia na późnych etapach rozwoju urządzenia do podawania.
- Wpływ na portfolio: Umożliwia priorytetyzację skorygowaną o ryzyko poprzez korelację przestrzeni parametrów płynu z mapami reżimów uderzenia, wspierając decyzje o rozwoju oparte na danych w procesach tworzenia formulacji.
Wskazówki dotyczące wdrożenia
- Wymaga wiedzy specjalistycznej z zakresu szybkozobrazowania wideo, mechaniki płynów oraz analizy obrazu w celu synchronizacji wyzwalania kamery, oświetlenia i kalibracji przestrzennej dla dokładnej rejestracji uderzenia.
- Zależy od instrumentacji, w tym kamery wysokiej prędkości (≥6 000 fps), obiektywu makro o długiej odległości roboczej, zsynchronizowanego systemu oświetlenia oraz precyzyjnego dozowania płynu za pomocą pompy strzykawkowej.
- Wymaga standaryzacji międzyzespołowej w zakresie przygotowania powierzchni uderzenia, protokołów ładowania płynów oraz kontroli środowiskowej w celu zapewnienia powtarzalności w kampaniach przesiewowych różnych formulacji.
- Wiąże się z koniecznością dostosowania parametrów przy przejściu z płynów modelowych (np. utlenionego galu i indu, zawiesin dwutlenku cyrkonu) na układy istotne biologicznie, takie jak hydrożele, mucyny lub nanocząsteczki lipidowe, w których właściwości powierzchniowe i reologia różnią się znacząco.
- Obejmuje ograniczenia praktyczne, takie jak potrzeba stosowania optycznie dostępnych powierzchni uderzenia oraz ograniczenia dotyczące wielkości kropli i prędkości uderzenia wynikające z szybkości przepływu pompy strzykawkowej i geometrii dyszy, co zaznaczono w konfiguracji wymagającej ręcznego wyzwalania w momencie odrywania się kropli.
Często zadawane pytania dotyczące biofarmacji
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
