Técnica rápida de imagens para o Estudo de Impacto Dynamics Gota de fluidos não-newtonianos
5 de março de 2014
Impacto da gota de fluidos não newtonianos, é um processo complexo uma vez que diferentes parâmetros físicos influenciar a dinâmica ao longo de um tempo muito curto (menos de um décimo de milésimo de segundo). A técnica de imagem rápido é introduzida a fim de caracterizar os comportamentos de impacto de diferentes fluidos não-newtonianos.
O objetivo geral do experimento a seguir é estudar a dinâmica de impacto de gotículas não newtonianas de metais líquidos e suspensões granulares densas usando uma técnica de imagem rápida. Isso é conseguido configurando um recurso de câmera rápida para visualizar a dinâmica instantânea quando as gotículas atingem uma superfície. Como segunda etapa, realize uma série de experimentos de impacto de metais líquidos para fornecer informações sobre como a elasticidade da superfície induzida pela oxidação afeta o raio de espalhamento.
Em seguida, realize experimentos de impacto com suspensões densas para investigar seu início de respingos e dinâmica de espalhamento. São obtidos resultados que mostram diferentes parâmetros do fluido, como tensão superficial efetiva, viscosidade, velocidade de impacto e diâmetro de partícula suspensa juntos, governam a dinâmica de impactos de gotículas não newtonianas. Este método pode ajudar a responder a questões-chave no campo de suspensões densas, como quando o comportamento de um sistema pode ser descrito por suas propriedades globais ou quando partículas individuais devem ser levadas em consideração.
Embora isso medido possa fornecer informações sobre a dinâmica de impacto de fluidos complexos. Também pode ser aplicado à observação de outros processos que incluem dinâmica rápida, como a formação de estados de fratura, pinça sólida de gotas de líquido e o movimento rápido de partículas em sistemas de grânulos Comece preparando a configuração da imagem. Um componente é uma esteira vertical capaz de suportar um suporte de bomba de seringa, a bomba de seringa para que possa ser movida para diferentes alturas para alterar a altura de queda livre do fluido de teste.
Ao lado da pista há uma estrutura que suporta uma placa de vidro limpa que serve como um plano de impacto horizontal. Certifique-se de que a superfície da placa esteja nivelada horizontalmente. Posicione um espelho refletivo inclinado sob a superfície do vidro para visualizar o impacto da queda por baixo.
Em seguida, cole papel branco opaco acima da placa de vidro para refletir a luz, para ajudar na visualização inferior para visualizar o impacto do metal líquido. Coloque um difusor de papel transparente oposto à direção de visualização para auxiliar na imagem de visualização lateral. Em seguida, coloque uma fonte de luz na região atrás do difusor.
Ligue as fontes de luz para iluminar uniformemente a região de impacto. Agora nivele uma câmera com uma lente apropriada em um tripé para que ela possa visualizar a superfície. Conecte a câmera a um computador usado para controle e exibição.
Comece a preparação da amostra com gálio e índio utic que foi armazenado em um recipiente lacrado Em temperatura ambiente, use uma pipeta para extrair três mililitros do recipiente. Obtenha uma placa de acrílico e extrude o UTA de gálio e índio sobre ela. Aguarde 30 minutos para que a amostra seja totalmente oxidada no ar.
Uma fina camada de pele oxidada cobrirá completamente a superfície da amostra. Tome as devidas precauções para trabalhar com ácido clorídrico e prepare um banho de ácido de 200 mililitros em um recipiente de TER. A concentração do banho é um parâmetro experimental.
Coloque a amostra no banho de ácido com a amostra no banho. Empregue um TER para cisalhá-lo a 60 rotações por segundo por 10 minutos. Assim que o ácido for pré-lavado, remova o banho do ReMeter.
Use uma seringa de plástico de dois mililitros com uma ponta de bico de aço de um a dois milímetros para recuperar o extrato de amostra de 1,5 mililitros de gálio índio ático do banho. A amostra agora está pronta para uso e experimentos. Monte a seringa na bomba da seringa preparação de amostras para suspensões densas.
Os experimentos começam com uma seringa comercial cortada em sua extremidade para usá-la como um tubo cilíndrico para dispensar a suspensão Para encher a seringa. Primeiro, obtenha um recipiente com água. Coloque a ponta da seringa na água, puxe o pistão para trás para enchê-la, certificando-se de que não haja bolhas de ar.
Em seguida, segure a seringa com a extremidade aberta para cima. Coloque dióxido de zircônio esférico ou esferas de vidro na seringa até que esteja cheia, permitindo que a água derrame. Use uma lâmina de barbear para remover partículas extras da parte superior para manter a extremidade plana.
Vire a seringa e monte-a na superfície da bomba. A tensão impedirá que as partículas caiam. Antes de gravar vídeos, tome medidas para ajustar os sistemas de imagem e iluminação e calibrar a resolução espacial.
Primeiro, ligue a bomba de seringa para empurrar o fluido a uma taxa de 20 mililitros por hora. Espere que o fluido aqui, uma suspensão densa, se solte da seringa e caia para causar um impacto de teste na superfície do vidro. Assim que o impacto ocorrer, desligue a bomba da seringa.
Em seguida, ajuste a posição e a orientação da câmera até que o respingo seja exibido no monitor. Em seguida, defina a taxa de reprodução da imagem para um para um e modifique a distância de trabalho para que a imagem fique no plano focal com a câmera configurada para um quadro. Mais de 6.000 quadros por segundo variam o tamanho da abertura, a exposição, o tempo e o ângulo de iluminação para obter a melhor qualidade de imagem.
Assim que as configurações da câmera forem encontradas, coloque uma régua no campo de view no monitor. Use a régua para calcular a resolução espacial contando o número de pixels que cabem em um centímetro. Certifique-se de que não haja diferença na resolução entre as direções horizontal e vertical.
Depois de calibrar o sistema de imagem, reinicie a bomba de seringa a 20 mililitros por hora. Ao mesmo tempo, prepare o software de controle da câmera para monitorar o processo de impacto antes de gravar dados. Pratique observar cuidadosamente enquanto a gota começa a se formar para permitir o acionamento manual da câmera no momento em que a gota se desprende do bico.
Depois que os dados forem gravados, edite o vídeo na parte que contém o impacto e salve-o como uma sequência de imagens para análise. A técnica de imagem rápida tem sido usada para estudar o impacto do áctico de gálio e índio com diferentes óxidos. Força da pele determinada pelo ácido.
A pré-lavagem mostrada aqui são molduras que mostram o espalhamento de três preparações diferentes à medida que impactam uma superfície de vidro. Cada gota caiu da mesma altura do bico e atingiu uma velocidade de aproximadamente um metro por segundo. O diâmetro inicial da queda foi de 6,25 milímetros sem pré-lavagem.
Uma pele de óxido impede que o fluido relaxe a energia da superfície, resultando em uma forma não esférica durante o estágio de queda, lavar as amostras e o ácido reduz o óxido e enfraquece o efeito da pele. Em concentrações ácidas fortes o suficiente. Nenhuma diferença é observada entre o gálio, o índio e os fluidos comuns.
Os dados permitem demonstrar a transição do regime capilar para o regime viscoso. Os dados colapsam para uma única curva quando a razão entre o raio inicial e final pm dividido pelo número de Reynolds para a potência de um quinto é plotada em relação à razão de um número de Weber efetivo e o número de Reynolds para o início de respingos de potência de quatro quintos em suspensão densa foi estudado no regime em que a dissipação viscosa é insignificante em comparação com os efeitos inerciais. Este é o diagrama de fase de respingo para diferentes densidades de partículas e rádio cujo produto está ao longo do eixo horizontal.
O eixo vertical é o número de Weber de partículas definido no manuscrito. Os círculos vermelhos indicam que sempre foi encontrado um respingo. A inserção mostra uma imagem inicial típica.
Os pontos azuis correspondem a nenhum respingo encontrado. A segunda inserção é um exemplo de uma imagem nons splash. Os casos em que respingos e nenhum respingo foram encontrados são indicados por quadrados verdes.
O experimento foi repetido 10 vezes para cada ponto. Os resultados são consistentes com um número crítico de Weber de cerca de 14 mais ou menos dois. Ao tentar este procedimento, é importante praticar a fabricação de suas amostras e determinar a fração de embalagem com frequência para que você tenha certeza de que pode fazer suas amostras de forma consistente.
Isso garantirá que seus resultados experimentais sejam reproduzíveis após seu desenvolvimento. Essa técnica abriu caminho para pesquisadores no campo de fluidos complexos explorarem a dinâmica de impacto de vários sistemas líquidos.
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Visão Geral
Este estudo investiga a dinâmica do impacto de gotas não newtonianas, especificamente metais líquidos e suspensões granulares densas, utilizando uma técnica de imagem rápida. A pesquisa tem como objetivo compreender como diversos parâmetros do fluido influenciam o comportamento da gota durante o impacto.
Componentes Principais do Estudo
Área da Ciência
- Dinâmica de fluidos
- Fluidos não newtonianos
- Mecânica do impacto
Contexto
- Fluidos não newtonianos exibem comportamentos complexos sob estresse.
- Compreender a dinâmica do impacto de gotas é crucial para diversas aplicações.
- Técnicas de imagem rápida permitem a observação em tempo real de comportamentos de fluidos.
- A oxidação e a elasticidade da superfície podem afetar a dinâmica dos fluidos.
Objetivo do Estudo
- Caracterizar os comportamentos de impacto de fluidos não newtonianos.
- Explorar como a elasticidade da superfície influencia o raio de espalhamento.
- Investigar o início do espalhamento e a dinâmica de espalhamento em suspensões densas.
Métodos Utilizados
- Utilização de uma instalação com câmera rápida para visualização.
- Realização de experimentos de impacto com metais líquidos.
- Execução de experimentos com suspensões granulares densas.
- Análise dos efeitos dos parâmetros do fluido sobre a dinâmica de impacto.
Resultados Principais
- Diferentes parâmetros do fluido regem a dinâmica de impacto de gotículas não newtonianas.
- A tensão superficial efetiva, a viscosidade e o diâmetro das partículas desempenham papéis significativos.
- Os resultados fornecem informações sobre quando as propriedades globais ou as partículas individuais dominam o comportamento.
- A técnica de imagem rápida captura com sucesso a dinâmica instantânea.
Conclusões
- O estudo aprimora a compreensão dos impactos de gotas não newtonianas.
- Os resultados podem orientar pesquisas futuras em dinâmica de fluidos e ciência dos materiais.
- A imagem rápida é uma ferramenta valiosa para estudar comportamentos complexos de fluidos.
Perguntas Frequentes
Relevância Executiva para a Indústria
Essa técnica de imagem rápida permite a caracterização precisa da dinâmica de impacto de fluidos não newtonianos, o que é essencial para reduzir riscos em formulações de entrega de fármacos, impressão jato de tinta e processos de revestimento, onde o comportamento da gota afeta o desempenho do produto. Ao resolver fenômenos em escala microscópica com alta resolução temporal e espacial, o método apoia a modelagem preditiva de interações entre fluidos e estruturas, reduzindo a dependência de tentativa e erro empírica no início do desenvolvimento. A abordagem fornece uma plataforma escalonável para avaliar como parâmetros de formulação, como viscosidade, tensão superficial e carga de partículas, influenciam os resultados do impacto, orientando diretamente decisões de seguir ou não seguir adiante na seleção de candidatos pré-clínicos.
Aplicações Estratégicas em P&D de Biotecnologia Farmacêutica
Descoberta Inicial e Validação de Alvo
- Valor Científico: Permite investigar como a oxidação da superfície e a tensão interfacial governam a espalhamento de gotas, apoiando a compreensão mecanicista das interações em biointerfaces.
- Valor Operacional: Fornece leituras quantitativas sobre o raio de espalhamento e o início do espalhamento em forma de respingo, permitindo a validação funcional das propriedades do fluido sob condições de impacto.
Desenvolvimento de Triagem e Ensaio
- Valor Científico: Facilita a preparação de ensaios reprodutíveis de impacto de gotas para avaliar como as variáveis da formulação influenciam o comportamento de respingos e a dissipação de energia.
- Valor Operacional: Fornece imagens padronizadas de alta resolução que garantem a consistência do ensaio em diferentes sistemas fluidos e execuções experimentais.
Pesquisa Translacional e Pré-clínica
- Valor Científico: Apoia a modelagem relevante para doenças na entrega de fármacos por via mucosa ou pulmonar, onde o impacto de gotas não newtonianas determina a eficiência de deposição.
- Valor Operacional: Permite decisões de avanço ajustadas ao risco ao vincular limites de parâmetros do fluido aos regimes de impacto observados, melhorando a confiança preditiva no desempenho da formulação.
Integração de Pipeline e Fluxo de Trabalho
A técnica se insere no continuum de descoberta ao permitir testes de hipóteses na triagem inicial de formulações, fornecendo análises quantitativas para a identificação de compostos promissores e apoiando a continuidade translacional por meio de métricas de impacto relevantes do ponto de vista biomecânico.
- Biologia da Descoberta: Apoia a verificação de hipóteses sobre como modificadores de superfície e suspensões de partículas alteram a dinâmica de gotas ao impactar, esclarecendo as relações estrutura-função em fluidos complexos.
- Triagem: Oferece prontidão para ensaios por meio da visualização padronizada do impacto, garantindo a quantificação reprodutível de parâmetros de espalhamento e projeção de gotas em bibliotecas de formulações.
- Análises: Gera medidas quantitativas do campo de fluxo, distância de espalhamento e velocidade de projeção a partir da análise de vídeo, permitindo comparação objetiva das respostas dos fluidos sob condições controladas de impacto.
- Pesquisa Translacional: Estabelece relevância pré-clínica ao modelar a dinâmica de impacto em sistemas que simulam superfícies biológicas, como camadas epiteliais ou barreiras mucosas, onde o comportamento da gota afeta a biodisponibilidade.
- Reutilização Empresarial: Funciona como uma plataforma reutilizável para avaliar diversos sistemas fluidos—desde análogos de metais líquidos até suspensões de biopolímeros—em múltiplos projetos, sem necessidade de revalidação dos parâmetros principais de imagem.
Impacto Operacional e Empresarial
- Valor Científico: Aumenta a confiança preditiva ao reduzir a ambiguidade mecanicista sobre como as propriedades não newtonianas governam os resultados do impacto, permitindo o projeto de formulações baseado em princípios fundamentais.
- Valor Operacional: Garante padronização e escalabilidade por meio de protocolos de imagem calibrados que mantêm resolução espacial de 10 µm/pixel e resolução temporal em microssegundos entre diferentes usuários e locais.
- Valor Estratégico: Melhora a eficiência de capital ao identificar formulações inviáveis precocemente por meio de limiares objetivos de respingo e espalhamento, reduzindo o risco de falhas em estágios avançados do desenvolvimento de dispositivos de entrega.
- Impacto no Portfólio: Permite a priorização ajustada ao risco ao correlacionar o espaço de parâmetros do fluido com mapas de regimes de impacto, apoiando decisões de avanço baseadas em dados nos processos de formulação.
Considerações sobre a Implementação
- Requer experiência em videografia de alta velocidade, mecânica dos fluidos e análise de imagens para sincronizar o disparo da câmera, iluminação e calibração espacial para captura precisa do impacto.
- Depende de instrumentação incluindo uma câmera de alta velocidade (≥6.000 fps), lente macro com longa distância de trabalho, sistema de iluminação sincronizado e dispensação precisa de fluidos por meio de bomba de seringa.
- Necessita padronização entre equipes quanto ao preparo da superfície de impacto, protocolos de carregamento de fluidos e controles ambientais para garantir reprodutibilidade em campanhas de triagem de formulações.
- Envolve considerações de adaptação ao transferir o método de fluidos modelo (por exemplo, ligas de gálio-índio oxidadas, suspensões de dióxido de zircônio) para sistemas biologicamente relevantes, como hidrogéis, mucinas ou nanopartículas lipídicas, onde as propriedades superficiais e a reologia diferem significativamente.
- Inclui limitações práticas, como a necessidade de superfícies de impacto opticamente acessíveis e restrições quanto ao tamanho da gota e à velocidade de impacto devido às taxas de fluxo da bomba de seringa e à geometria da ponteira, conforme observado na configuração que exige disparo manual na liberação da gota.
Perguntas Frequentes sobre Biotecnologia Farmacêutica
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
