Indução de Microstreaming por Oscilações de Bolhas Não Esféricas em um Sistema de Levitação Acústica

A compreensão das ações mecânicas induzidas por bolhas é crucial em muitas aplicações de engenharia e terapêuticas. Controlar as oscilações das bolhas e os fluxos induzidos nas proximidades ainda é uma tarefa desafiadora. As técnicas propostas permitem controlar a oscilação da forma de uma única bolha aprisionada em um levitador acústico.

Os fluxos induzidos são então visualizados e correlacionados com a dinâmica das bolhas. Estelle Mezianai, aluna do Laboratório de Aplicação Terapêutica de Ultrassom estará demonstrando o procedimento. Comece com a geração de bolhas colocando o tanque de água do oscilador de tal forma que um ponto de foco do laser esteja localizado dentro do tanque de água, levando à geração de faísca para cada pulso de laser de 5 a 10 milijoules.

Ligue o transdutor de ultrassom e aumente a tensão aplicada até que as bolhas não se elevam mais verticalmente, mas se desviem em direção ao antinó de pressão e fiquem presas. Ajuste a iluminação retroiluminada para o diodo emissor de luz contínua e selecione a câmera de alta velocidade para permitir a observação da bolha presa. Para prender uma bolha e capturar suas oscilações radiais, defina o tamanho do quadro para 128 por 128 pixels e a taxa de aquisição para 180 kilohertz.

Registre as oscilações radiais da bolha de 3 a 30 milissegundos sob tensões crescentes do transdutor aplicado de 0 a 8 volts. Após a última gravação, desligue o transdutor de ultrassom e capture uma imagem do fundo para pós-análise. Para o pós-processamento da série de vídeos, execute o VoltagePressure.

EXE. Especificar os parâmetros físicos e experimentais e os valores da tensão aplicada para a série de registros. No painel de análise de raio de bolhas, clique em parâmetros de carregamento e selecione a pasta que contém todos os arquivos de série de vídeo e imagem de fundo.

Para cada arquivo de vídeo, a evolução do raio da bolha será plotada ao longo de um período acústico e um ajuste numérico será sobreposto. Quando todos os vídeos tiverem sido processados, clique em regressão linear para realizar um ajuste linear da curva de pressão e tensão. Os dados serão salvos em um arquivo txt dentro do diretório atual.

Para induzir a coalescência de bolhas, ligue o transdutor de ultrassom e ajuste a tensão aplicada alta o suficiente para que a pressão acústica correspondente possa desencadear instabilidade superficial, nuclear uma bolha que então migrará para seu local de aprisionamento. Quando uma bolha presa exibe apenas oscilações esféricas, gere uma nova faísca de laser. Quando a nova bolha atinge o local de aprisionamento, ocorre coalescência Se a bolha coalescida exibir apenas oscilações esféricas após a faísca, gere uma nova bolha.

Mas note que múltiplas coalescências podem ser necessárias para atingir o raio em que ocorrem deformações não esféricas. Uma vez que a bolha coalescida exibe oscilações não esféricas, registre as oscilações da bolha por aproximadamente 3 a 30 milissegundos e use a figura para identificar o número de modo das oscilações de forma da bolha. Para realizar medições de fluxo de fluido, defina a taxa de quadros para 180 kilohertz, o tamanho do quadro para 128 por 128 pixels e o tempo de exposição para 1 microssegundo para registrar a dinâmica da interface de bolhas.

Para registrar o movimento dos traçadores de corante, defina o tamanho do quadro para 1024 por 768 pixels, a taxa de quadros para 600 hertz e o tempo de exposição para 1 milissegundo. Ajuste a posição da folha de laser para que as partículas iluminadas sejam visíveis para a câmera e nuclear e prender uma bolha como demonstrado. Ajuste ainda mais a posição da folha de laser para que uma sombra se torne visível atrás da bolha e induza a coalescência da bolha até que um modo de forma oscilante estável seja aparente.

Em seguida, adquira várias gravações, alternando entre a dinâmica da bolha e o micro streaming. Para processamento e análise de imagens, importe o arquivo cine contendo o movimento das partículas capturadas para a imagem J e clique em imagem, ajuste, brilho, contraste e automático. Uma imagem otimizada automaticamente substituirá o fundo escuro.

Para exibir o padrão resultante, clique em imagem, pilhas e projeto Z e selecione a opção de intensidade máxima para a projeção de imagem. Uma imagem de saída com pixels contendo o valor máximo sobre todas as imagens na pilha será exibida. Aqui é mostrada uma sequência completa de coalescência de bolhas levando a oscilações não-esféricas controladas por simetria estável no tempo que podem ser observadas.

A fase de aproximação de duas bolhas oscilantes esfericamente termina quando o filme líquido fino entre as duas bolhas é rompido. Após o momento de coalescência, uma única bolha exibindo oscilações não esféricas com uma forma complexa permanece, correspondendo ao regime transitório de oscilações após a excitação de qualquer sistema dinâmico. Após uma dúzia a 100 períodos acústicos, as formas de oscilação estabilizam-se para uma oscilação em estado estacionário.

Uma vez que uma bolha é aprisionada e exibe oscilações de forma constantes, o movimento dos traçadores fluorescentes dentro da bolha nas proximidades pode ser capturado. Quando ocorrem oscilações de forma, o movimento do líquido é produzido nas proximidades da interface da bolha. Registros alternativos da dinâmica da interface de bolhas na escala de tempo acústica e do movimento das partículas em uma escala de tempo mais baixa permitem a correlação do padrão de micro streaming com um dado número de modo de forma.

Se a dinâmica da interface de bolha contiver modos suplementares, então o fluxo de micro streaming pode ser significativamente modificado devido às múltiplas interações entre os modos que gerariam padrões específicos. Para associar com segurança o padrão de fluxo a uma determinada forma de sedação, lembre-se de que é necessário capturar alternativamente a dinâmica da bolha e o movimento do fluxo. Esses achados podem ter uso prático em aplicações neuropáticas, como a liberação de fármacos mediada por transformação.

De fato, as bolhas acústicas são conhecidas por exercerem tensões puras induzidas por fluxo nas membranas celulares que levam à sua permeação.