Summary
ستوفر التقنية المقترحة نهجا جديدا وفعالا ومقتصدا وغير جراحي لتصوير تدفق السوائل من خلال طبقة مسحوق معبأة ، مما ينتج عنه دقة مكانية وزمانية عالية.
Abstract
يعد تطوير تقنيات تصوير جديدة للنقل الجزيئي والغروي ، بما في ذلك الجسيمات النانوية ، مجالا للتحقيق النشط في دراسات الموائع الدقيقة والملائع. مع ظهور الطباعة ثلاثية الأبعاد (3D) ، ظهر مجال جديد من المواد ، مما زاد الطلب على البوليمرات الجديدة. على وجه التحديد ، تشهد مساحيق البوليمر ، مع متوسط أحجام الجسيمات بترتيب ميكرون ، اهتماما متزايدا من المجتمعات الأكاديمية والصناعية. إن التحكم في قابلية ضبط المواد على مقاييس الطول المتوسطة إلى المجهرية يخلق فرصا لتطوير مواد مبتكرة ، مثل المواد المتدرجة. في الآونة الأخيرة ، تزايدت الحاجة إلى مساحيق بوليمرية بحجم ميكرون ، حيث تتطور تطبيقات واضحة للمادة. توفر الطباعة ثلاثية الأبعاد عملية إنتاجية عالية مع ارتباط مباشر بالتطبيقات الجديدة ، مما يؤدي إلى إجراء تحقيقات في التفاعلات الفيزيائية والكيميائية وتفاعلات النقل على نطاق متوسط. يوفر البروتوكول الذي تمت مناقشته في هذه المقالة تقنية غير جراحية لتصوير تدفق السوائل في أسرة مسحوق معبأة ، مما يوفر دقة زمنية ومكانية عالية مع الاستفادة من تقنية الهاتف المحمول المتاحة بسهولة من الأجهزة المحمولة ، مثل الهواتف الذكية. من خلال استخدام جهاز محمول مشترك ، يتم التخلص من تكاليف التصوير التي ترتبط عادة بالمجهر الضوئي ، مما يؤدي إلى نهج علمي مقتصد. نجح البروتوكول المقترح في تمييز مجموعة متنوعة من مجموعات السوائل والمساحيق ، مما أدى إلى إنشاء منصة تشخيصية للتصوير السريع وتحديد المزيج الأمثل من السوائل والمسحوق.
Introduction
يمثل نفث الموثق القائم على نفث الحبر في وسائط المسحوق تقنية مهمة في التصنيع الإضافي (الطباعة ثلاثية الأبعاد). تبدأ عملية نفث الموثق بترسب السوائل الوظيفية في وسائط المسحوق باستخدام عملية الطباعة النافثة للحبر للمسح الضوئي. على وجه التحديد ، يترجم رأس الطباعة النافثة للحبر على سطح المسحوق ، ويضع عامل الربط السائل على سطح المسحوق ، وبالتالي يشكل جزءا صلبا بطريقة طبقة تلو الأخرى1. تشمل تقنيات نفث الموثق القائمة على نفث الحبر بشكل عام الرمل والمساحيق المعدنية والمساحيق البوليمرية. ومع ذلك ، لتوسيع مساحة المواد في نفث الموثق ، يلزم اتباع نهج أساسي للتحقيق في تفاعلات مسحوق السوائل ومسحوق المسحوق ، وعلم الترايبولوجيا ، وكثافة تعبئة المسحوق ، وتجميع الجسيمات. على وجه التحديد ، بالنسبة لتفاعلات مسحوق السوائل ، توجد حاجة ماسة للقدرة على تصوير تدفق السوائل عبر طبقات المسحوق في الوقت الفعلي. يعد هذا بأن يكون أداة قوية للباحثين لتضمينها كتقنية توصيف وربما كطريقة فحص لمجموعات مختلفة من السوائل والمساحيق2،3،4 ، بالإضافة إلى أنظمة أكثر تعقيدا ، مثل أنظمة الطباعة ثلاثية الأبعاد الخرسانية التي تستخدم طرق سرير الجسيمات.
يعد تطوير تقنيات تصوير جديدة للنقل الجزيئي والغروي ، بما في ذلك الجسيمات النانوية ، مجالا نشطا للتحقيق في دراسات الموائع الدقيقة والملائع. يمكن أن يكون فحص التفاعلات بين الجزيئات بواسطة تقنيات التصوير أمرا صعبا ، حيث تم القيام بالقليل من العمل لاستكشاف هذه الأنواع من التفاعلات في ظل ظروف تدفق السوائل غير المشبع وغير المستقر. ركزت العديد من الدراسات التي تم الإبلاغ عنها في الأدبيات على وسائط مشبعة ومبللة مسبقا ومسامية ، مثل حبة زجاجية5،6،7،8،9،10،11،12 والتربة 13،14،15،16،17،18 . توفر هذه التقنية نهجا غير جراحي ، مما يؤدي إلى دقة زمنية ومكانية عالية2،3،4،19. علاوة على ذلك ، توفر التقنية المطورة طريقة جديدة لتوصيف وقياس نقل الجسيمات على نطاق النانو ومقياس ميكرون في مجموعة متنوعة من الوسائط المسامية ، مع التركيز على مساحيق البوليمر.
تستخدم التقنية المقترحة جهازا محمولا لتسجيل نقل السوائل غير المشبع وغير المستقر من خلال وسائط بوليمرية مسامية ذات أبعاد جسيمية تمثل المساحيق المستخدمة في أنظمة الطباعة ثلاثية الأبعاد التي تستخدم تقنيات اندماج طبقة المسحوق السائل. هذه التقنية مفيدة لأن خلايا التدفق فعالة من حيث التكلفة وقابلة لإعادة الاستخدام وصغيرة ويمكن التعامل معها بسهولة ، مما يوضح الجوانب المهيمنة للعلوم المقتصدة. إن القدرة على تنفيذ هذه التجارب البسيطة في دراسة ميدانية واضحة للغاية ، مما يلغي المضاعفات والتكلفة والوقت المطلوب في الفحص المجهري الضوئي. نظرا لسهولة إنشاء الإعداد ، والوصول إلى نتائج سريعة ، والحد الأدنى من متطلبات العينة ، تعد هذه التقنية منصة مثالية للفحص التشخيصي.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. تحضير خلية تدفق الموائع الدقيقة
ملاحظة: بالنسبة لهذا البروتوكول ، سيتم استخدام خلية تدفق الموائع الدقيقة التجارية. باستخدام منتج تجاري مصمم لاختراق الضوء من المجهر الضوئي ، سيتم تقليل أي تحديات تتعلق بإضاءة المجال الساطع للوسائط.
- ابدأ في تحضير خلية تدفق الموائع الدقيقة عن طريق تغطية المخرج بالبارافيلم لإغلاق أحد طرفي القناة بحيث يمكن تعبئة خلية التدفق الفارغة بمسحوق بوليمري. قبل البدء في التجربة ، تأكد من أن قناة الموائع الدقيقة نظيفة وجافة.
- قم بلصق مسطرة الورق المتري أسفل قناة التدفق مباشرة.
- قم بوزن خلية تدفق الموائع الدقيقة مع البارافيلم والمسطرة المرفقة. كتلة خلية التدفق هي كتلة خلية التدفق غير المعبأة (mu).
2. تعبئة المسحوق في القناة
- عند تعبئة المسحوق ، استخدم ماصة بلاستيكية لنقل المسحوق. لاحظ أن الجسيمات قد تلتصق بالجزء الخارجي من طرف الماصة ، وهو نتيجة للشحن الثلاثي .
- أثناء إدخال المسحوق في القناة ، انقر فوق خلية التدفق خمس مرات على الأقل لضغط المسحوق. استمر في التعبئة حتى يصل المسحوق إلى بداية فتح قناة التدفق.
ملاحظة: يؤدي النقر على ضغط المسحوق داخل القناة بهدف توفير أداة تشخيص قابلة للتكرار. بالنسبة لبعض التطبيقات ، يمكن أن يكون هذا الجهد مستوى أعلى أو أقل أو مكافئ من ضغط المسحوق من الضغط الذي لوحظ في تطبيق الفائدة. إذا كانت هناك مشكلات في استنساخ التنصت أو مسحوق التعبئة داخل التطبيق ، ففكر في إجراء ASTM D7481-1820. - قم بإزالة المسحوق الموجود على السطح الخارجي لخلية التدفق بمسح منقوع في الكحول.
ملاحظة: يمكن أن تكون بعض أنواع الجسيمات كارهة للماء ، لذلك قد لا يزيل الماء الجسيمات جيدا.
- أثناء إدخال المسحوق في القناة ، انقر فوق خلية التدفق خمس مرات على الأقل لضغط المسحوق. استمر في التعبئة حتى يصل المسحوق إلى بداية فتح قناة التدفق.
- بمجرد تعبئة المساحيق ، افحص بصريا خلية التدفق بحثا عن مسحوق معبأ بشكل غير محكم. إذا ظهر المسحوق الموجود داخل خلية التدفق معبأ بشكل غير محكم (الشكل 1) ، فانقر فوق خلية التدفق خمس مرات أخرى. إذا بدت عبوة المسحوق متسقة ومضغوطة ، فقم بوزن خلية التدفق لقياس كتلة المسحوق البوليمري (m p- mu ؛ انظر المعادلة 1).
- احسب كثافة التعبئة السائبة (ρ) باستخدام الفرق بين كتلة خلية التدفق المفككة (mu) وكتلة خلية التدفق المعبأة (mp) وتقسيمها على حجم خلية التدفق. ثم يعرف حجم خلية التدفق [الطول (لتر): 50 مم ، العرض (عرض): 5 مم ، عمق القناة (h): 0.8 مم].
مكافئ 1 - تأكد من أن كثافة التعبئة في النطاق النموذجي من 0.45 جم / مل إلى 0.55 جم / مل للمساحيق البوليمرية2،3،4،21. اترك خلايا التدفق في غطاء الدخان حتى تكتمل الخطوتان 3 و 4.
تنبيه: يمكن للجسيمات التي يقل قطرها عن 10 ميكرومتر أن تخترق الرئتين وتدخل مجرى الدم ، مما قد يسبب مشاكل صحية تتعلق بالجهاز الرئوي والقلب والأوعية الدموية. يبلغ قطر الجسيمات المساحيق البوليمرية التي استخدمت في هذه التجربة حوالي 50 ميكرومتر. لذلك ، فإن استنشاق الجسيمات لديه قدرة أقل على التسبب في مشاكل صحية ، ولكن الجسيمات الأصغر موجودة حتى في توزيعات حجم الجسيمات الضيقة. للحصول على البيئة الأكثر أمانا ، يجب أن يتم تحضير خلايا التدفق في غطاء دخان.
- احسب كثافة التعبئة السائبة (ρ) باستخدام الفرق بين كتلة خلية التدفق المفككة (mu) وكتلة خلية التدفق المعبأة (mp) وتقسيمها على حجم خلية التدفق. ثم يعرف حجم خلية التدفق [الطول (لتر): 50 مم ، العرض (عرض): 5 مم ، عمق القناة (h): 0.8 مم].
مكافئ 13. تحضير المذيب
- تحضير محلول 75٪ بالوزن من الإيثانول في الماء. لاحظ أن المذيب سيشار إليه باسم السائل في بقية هذه المخطوطة.
تنبيه: تأكد من أن الدورق المستخدم في تحضير المحلول خال من أي خافضات للتوتر السطحي ، لأن المواد الخافضة للتوتر السطحي ستؤثر على النتائج.
4. تحضير طاولة الضوء الأبيض
- لمنع إغراق الكاشف (الكاميرا) بالكثير من الضوء ، قم بتغطية طاولة الضوء بمادة غير شفافة ، مثل غطاء مطبوع ثلاثي الأبعاد في خيوط حمض اللبنيك الأسود (PLA) (الشكل التكميلي 1). تأكد من أن المادة بها فتحة بحجم القناة الدقيقة (5 مم × 55 مم) للسماح للضوء بإضاءة المسحوق.
ملاحظة: يعني الضوء الزائد أن شاشة الكاميرا أو شاشتها ستظهر باللون الأبيض ولن تكون القناة الصغيرة مرئية. لذلك ، لن يتمكن الكاشف من تركيز العدسة على القناة الدقيقة. - للتأكد من أن الكاميرا الموجودة على الجهاز المحمول يمكنها التقاط التباين بين المسحوق الرطب والجاف ، استخدم طاولة الضوء في شدة إضاءة منخفضة إلى متوسطة.
ملاحظة: شدة الضوء العالية عند 100٪. الإعدادان الآخران متعلقان بكثافة الضوء العالية ؛ الإعداد لشدة الإضاءة المنخفضة هو ~ 30٪ ، وشدة الضوء المتوسطة في ~ 65٪. - قم بمحاذاة الكاميرا على الجهاز المحمول فوق طاولة الضوء مباشرة. تأكد من أن الكاميرا متعامدة مع الجزء العلوي من طاولة الضوء (الشكل 2).
- قم بتوجيه الكاميرا على الجهاز المحمول بحيث يحاذي المحور الطويل للجهاز المحمول أطول محور لخلية التدفق.
5. بدء التجربة
- ضع خلية التدفق على طاولة الإضاءة وقم بتركيز الكاميرا على الجهاز المحمول على قناة التدفق.
ملاحظة: للحصول على أفضل النتائج، عادة ما توفر مساحة التسجيل الداكنة (الإضاءة العلوية المنخفضة) دقة صورة أفضل. في حالة عدم توفر مساحة مظلمة ، فإن تقليل التغييرات في الإضاءة العلوية (تشغيل الأضواء أو إيقاف تشغيلها أو تعتيمها) أثناء التسجيل يجب أن يحسن الإشارات الرسومية ويقلل من الضوضاء غير المرغوب فيها في التجربة. - بعد تركيز الكاميرا على الجهاز المحمول ، حدد زر التسجيل. أضف 125 ميكرولتر من السائل إلى المدخل المفتوح للقناة الدقيقة باستخدام ماصة.
- سجل التدفق لمدة 2 دقيقة أو حتى يتم ترطيب كل المسحوق بشكل واضح.
6. تحليل البيانات
- انقل ملف الفيديو من الجهاز المحمول إلى الكمبيوتر لسهولة الوصول إليه. لاحظ أن مقاطع الفيديو التي تزيد مدتها عن 2 دقيقة قد لا يتم تحميلها في البرنامج في الوقت الحالي ، حيث يمكن أن يكون حجم الملف كبيرا للغاية.
- قم بتنزيل Tracker ، وهو برنامج مجاني من موقع Physlets22. يمكن لهذا البرنامج تتبع الموضع والسرعة والتسارع في ملفات الفيديو التالية: .mov ، .avi ، .mp4 ، .flv ، .wmv ، إلخ. للخطوات التالية ، يرجى الرجوع إلى الملف التكميلي.
ملاحظة: بالنسبة لمستخدمي Mac، قم بتثبيت أحدث إصدار من البرنامج حتى يعمل البرنامج بشكل صحيح. بالإضافة إلى ذلك ، قد يحتاج مستخدمو Mac إلى محرك فيديو (Xuggle) أو ملفات GIF متحركة (.gif) أو تسلسلات صور تتكون من صورة رقمية واحدة أو أكثر (.jpg أو .png أو لصق من الحافظة). - بمجرد تثبيت البرنامج ، افتح برنامج Tracker. من قائمة "ملف" ، حدد افتح ملف لتحميل ملف الفيديو المنقول من الخطوة 6.1 على سطح مكتب الكمبيوتر.
- انقر فوق أيقونة إعدادات القصاصة ، التي تشبه شريط الفيلم ، لتحديد إطار البداية وحجم الخطوة.
ملاحظة: سيؤدي وضع الماوس فوق رمز إلى التعرف على الرمز.- حدد إطار البداية. يتم تعريف إطار البداية على أنه الإطار الذي يلاحظ فيه التباين الأول (التباين بين المسحوق الرطب والجاف).
- اضبط حجم الخطوة. يشير حجم الخطوة إلى حجم خطوة الإطار ، والذي سيقوم البرنامج بتحليله. من التجارب السابقة ، حجم الخطوة الأمثل هو 10.
- انقر فوق أداة المعايرة ، الرمز مع المسطرة الزرقاء ، على يمين زر إعدادات القصاصة . من جديد، حدد عصا المعايرة.
- لتكبير المسطرة في الفيديو ، انقر بزر الماوس الأيمن فوق المنطقة للتكبير وحدد تكبير من القائمة. بمجرد التكبير بشكل مناسب ، حدد بداية ونهاية 1 مم على المسطرة المسجلة على القناة الدقيقة ، واكتب 1 مم لتحديد المسافة.
- انقر فوق أداة محور الإحداثيات ، وهي الأيقونة الأرجوانية ، على يمين أداة المعايرة. اضبط الأصل للمحور x و y ، باستخدام إطار البداية أثناء القيام بهذه الخطوة.
- لتحديد النقطة الأولية للتحليل ، قم بإنشاء كتلة نقطة. انقر فوق إنشاء ، ثم حدد Point Mass. استخدم Shift + Control لتغيير حجم المستطيل. النقطة الأولية هي مكان اتصال المدخل والقناة.
ملاحظة: يشير المستطيل إلى المجال ، الذي يحدده المستخدم ، والذي سيقوم البرنامج بمسحه ضوئيا للعثور على المسحوق الرطب والجاف المتناقض. تسمح الحدود للمستخدم بتحديد المنطقة التي سيتم فيها ملاحظة النقطة الأولية.- انقر فوق Search Next عدة مرات للتحقق من أن البرنامج يقوم بتحليل المنطقة الصحيحة. إذا كان البرنامج يعمل بشكل صحيح ، فانقر فوق بحث وانتظر حتى ينتهي البرنامج من تحليل الفيديو. إذا لم يتمكن البرنامج تلقائيا من العثور على كثافة صورة مطابقة من الإطار السابق إلى الإطار الحالي ، فسيتوقف البرنامج وينتظر حتى يقوم المستخدم بإعادة تعريف منطقة البحث.
ملاحظة: من أجل قابلية التكرار والقدرة على مقارنة النتائج التجريبية المختلفة ، اختر أسرع أو أبطأ نقطة في مقدمة تدفق السوائل (منطقة التباين بين المسحوق المبلل والجاف) لكل عينة. - إذا لوحظ خطأ في التحليل على البيانات المرسومة الحية على الجانب الأيمن من شاشة Tracker ، فانقر فوق نقطة البيانات مرة واحدة في الخطوة السابقة لنقطة البيانات الخاطئة. على الشاشة الرئيسية ، قم بتعديل موقع منطقة البحث المستطيلة الحمراء للبحث في المنطقة محل الاهتمام وكرر الخطوة 6.8.1.
ملاحظة: في حالة وجود خطأ، انقر بزر الماوس الأيمن فوق نقطة البيانات غير الدقيقة وقم بإلغاء تحديد النقطة لمزيد من التحليل.
- انقر فوق Search Next عدة مرات للتحقق من أن البرنامج يقوم بتحليل المنطقة الصحيحة. إذا كان البرنامج يعمل بشكل صحيح ، فانقر فوق بحث وانتظر حتى ينتهي البرنامج من تحليل الفيديو. إذا لم يتمكن البرنامج تلقائيا من العثور على كثافة صورة مطابقة من الإطار السابق إلى الإطار الحالي ، فسيتوقف البرنامج وينتظر حتى يقوم المستخدم بإعادة تعريف منطقة البحث.
- بمجرد اكتمال التحليل ، انسخ النتائج والصقها في جدول بيانات. تتضمن النتائج المحفوظة في جدول البيانات بيانات المسافة والوقت.
- ارسم البيانات المنسوخة في جدول البيانات كمسافة نقل السوائل عبر طبقة المسحوق كدالة للوقت.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
في القسم الخاص بتحليل البيانات ، توضح بيانات الصور المنقضية في الشكل 3 محلول الإيثانول 75٪ بالوزن الذي يتسلل إلى مسحوق البولي كربونات (PC). تمت إضافة الفلوريسئين إلى الحل لتحسين جودة الصورة لهذا المنشور. في صور الفاصل الزمني ، تبدأ عملية حل الوقت عند إضافة السائل إلى المدخل. الوقت ، ر ، يبدأ بمجرد أن يبدأ السائل في اختراق القناة. توضح سلسلة الصور تطور السائل والفلوريسين. في الكمبيوتر الشخصي ، يتم نقل السائل والفلوريسئين بنفس معدل التدفق. تمثل الدوائر الحمراء المفتوحة على الرسم البياني في الشكل 4 الوقت والمسافة المحددين للمعلومات المجمعة الموجودة في الجدول 1. يتم تمثيل تسلل السائل إلى طبقة المسحوق جنبا إلى جنب مع الخطوات الزمنية الإضافية (الدوائر الحمراء) بصريا في الشكل 3.
في الفترة من 1 s إلى 2 s ، تضاعفت المسافة التي يقطعها المائع. خلال الفترة من 2 s إلى 5 s ، تتضاعف أيضا المسافة التي قطعها المائع. من 5 ثوان إلى 10 ثوان ، لا يزال السائل يتحرك بسرعة. ومع ذلك ، بعد 15 ثانية ، يتباطأ معدل التدفق إلى معدل 2 مم تقريبا كل 5 ثوان. للحصول على مسحوق واحد ومجموعة السوائل ، يتم إجراء خمسة اختبارات في مجموعة واحدة. قد يختلف عدد الاختبارات الإجمالية لكل مجموعة. على سبيل المثال ، إذا فشلت إحدى التجارب الخمس ، تحليل قناة صغيرة جديدة معبأة بدلا من الاختبار الفاشل. يعرف الفشل بأنه سائل لا يخترق طبقة المسحوق أو يخترق طبقة المسحوق جزئيا فقط بسبب الفقاعات التي تتشكل في القناة الناتجة عن تعبئة مسحوق غير متسقة. لمراقبة الانحراف المعياري بين مجموعة من الاختبارات في مجموعة ، راجع Donovan 21 ، وتحديدا الشكل 19 والشكل 21.
الشكل 1: مسحوق بوليمري معبأ بشكل غير محكم في خلية تدفق الموائع الدقيقة التي يمكن أن تؤدي إلى تجربة فاشلة إذا لم تتم معالجتها. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 2: تمثيل كرتوني للإعداد التجريبي. لم يتم رسم هذه الصورة على نطاق واسع. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 3: سلسلة تمثيلية من الصور المتتابعة من تجربة واحدة. تجسد الصور من اليسار إلى اليمين تدفق المذيب (المعزز بصبغة الفلورسنت للتصور) عبر السرير المسامي المعبأ. لاحظ أن الجبهة الأمامية ليست موحدة ، لذلك عادة ما يتم استخدام متوسط مسافة جبهة الانتشار. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
الشكل 4: التمثيل الكمي لمتوسط مسافة الانتشار (Δl) مقابل الوقت (t) حيث يخترق السائل طبقة المسحوق المعبأة. تمثل الدوائر الحمراء نقاط البيانات لكل زيادة زمنية تظهر في الشكل 3. الرجاء الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.
| الوقت (الأوقات) | المسافة (مم) |
| 0 | 0 |
| 1 | 2.1 |
| 2 | 4.1 |
| 5 | 8.3 |
| 10 | 12.8 |
| 15 | 15.8 |
| 20 | 17.9 |
| 25 | 20.1 |
| 30 | 22.1 |
الجدول 1: قيم المسافة والوقت للنقاط الحمراء الموضحة في الشكل 4.
الشكل التكميلي 1: رسم CAD لغطاء طابعة 3D غير الشفاف في خيوط حمض اللبنيك الأسود (PLA). الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
ملف تكميلي: لقطات شاشة للخطوات المتبعة في تحليل البيانات باستخدام برنامج التتبع. الرجاء الضغط هنا لتنزيل هذا الملف.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
يعتمد البروتوكول الذي يتم توفيره بشكل كبير على الخصائص المادية للجزيئات التي يتم اختيارها. تشمل خصائص المواد التي تؤثر على التدفق توزيع حجم الجسيمات 2،3،4،5،11،21 ، خشونة سطح الجسيمات 11 ، الخواص الكيميائية على سطح الجسيمات2،3،4،5،11،16،21،23 ، 24،25 ، وعزم ثنائي القطب الجزيئي ، وشكل الجسيمات 11 ، وتفاعلات الجسيماتوالجسيمات 2،3،4،5،11،16،23،24،25،26،27 . تؤثر هذه الخصائص بشكل مباشر على كثافة تعبئة المسحوق في قناة الموائع الدقيقة ، وبالتالي سلوك التدفق الشعري للسائل لأنه يبلل الجسيمات2،3،4،5،7،8،14،15.
تلعب كثافة تعبئة المسحوق دورا مهما جدا في هذه التقنية. إذا لم يكن المسحوق معبأ بكثافة كافية ، فقد يحدث تكوين فقاعة هواء أو فصل المسحوق أثناء التصوير ، مما يمنع عينة قابلة للتكرار. لذلك ، يعد النقر على قناة الموائع الدقيقة (الخطوة 2.1.1) أثناء تعبئة المسحوق خطوة حاسمة للغاية. يمثل الشكل 1 خلية تدفق الموائع الدقيقة مع مسحوق معبأ غير متسق بعد تسلل السائل إلى القناة بأكملها. يمكن رؤية فصل المساحيق نحو مدخلات القناة. بمجرد تعبئة الخلية ، قبل إجراء التجربة ، يعد التحقق من كثافة تعبئة المسحوق في الصندوق الضوئي طريقة مفيدة لتجنب هذه الأنواع من التجارب الفاشلة. تم تحليل المساحيق المعروضة في هذا البروتوكول باستخدام اختبار كثافة الصنبور القياسي ، وتحديدا ASTM D7481-18 ، للإبلاغ عن كثافة التعبئة السائبة كدالة للحنفيات20. لا يلزم إجراء ASTM D7481-18 حتى يكتمل البروتوكول المقترح ، لكن ASTM ستوفر معلومات تكميلية عن المسحوق.
يؤثر توزيع حجم الجسيمات ، وهي خاصية قابلة للقياس ، بشكل مباشر على كثافة التعبئة السائبة23،24،25. في نظام التعبئة ، ستخلق الجسيمات الأكبر مساحة فراغ كبيرة ، مما يوفر وضعا للجزيئات الصغيرة لتسوية. يوفر قياس نسبة الجسيمات الكبيرة إلى الصغيرة نظرة ثاقبة لحجم مساحة الفراغ للسائل لاختراق المسحوق. عند تعبئة خلية تدفق الموائع الدقيقة لإجراء تجربة ، ستملأ جميع الجسيمات الصغيرة مساحة الفراغ التي تصنعها جزيئات أكبر. سيؤثر تقليل المساحات الفارغة المتاحة على نقل السوائل ، بالإضافة إلى توفير المزيد من المواقع للاحتفاظ الجزيئي والجسيمات. لمزيد من تحسين التقنية ، تحتاج الجسيمات ذات الحجم المماثل (على سبيل المثال ، تلك الجسيمات من 60 ميكرومتر إلى 65 ميكرومتر) إلى مزيد من التحقيق لتحديد ما إذا كانت هذه التقنية لديها حساسية للتمييز بين الجسيمات التي يبلغ متوسط حجم الجسيمات فيها بضعة ميكرونات فقط.
الكثافة الظاهرية ليست خاصية جوهرية للمسحوق ، لأنها تعتمد بشكل كبير على كيفية التعامل مع المادة26. سواء تم تصنيع المسحوق داخليا أو نقله بالطائرة أو القطار أو السيارة ، فقد يؤثر بشكل كبير على قيمة كثافة التعبئة السائبة ، مما يؤثر على توزيع حجم الجسيمات. ما إذا كان يتم اختيار عينات المسحوق من أعلى مقابل أسفل الحاوية يمكن أن يؤثر أيضا على النتائج. تخيل فتح علبة من الحبوب. تتكون المادة الموجودة في الأعلى من جميع القطع الكبيرة ، وتتكون المادة الموجودة أسفل الصندوق من جميع القطع الأصغر. بنفس الطريقة ، فإن المسحوق الذي تعرض للإجهاد (الاهتزازات) من السفر سيكون له تدرج في حجم الجسيمات في جميع أنحاء الحاوية.
بالنسبة للمساحيق البوليمرية ، فإن التحقق من أن الأسطح الداخلية لخلايا التدفق قد تلقت علاجا كارها للماء أمر لا يتجزأ. إذا لم تتم معالجة جدران خلية تدفق الموائع الدقيقة ، فغالبا ما تحدث تأثيرات الجدار عند تصوير نقل السوائل. لوحظت تأثيرات الجدار عندما ينتقل السائل على طول الجدار بشكل أسرع وأبعد من تدفق السائل السائب عبر المسحوق محل الاهتمام. إذا لم يكن الجدار كارها للماء ، فإنه يسمح بمسار أقل مقاومة للتكوين ، وسوف يتدفق السائل على طول هذا المسار (الجدار) وليس من خلال المسحوق. لذلك ، فإن استخدام الخلايا الكارهة للماء يسمح بإجراء دراسة أكثر تمثيلا لتدفق النظم المائية عبر وسط مسامي ، في حين يجب استخدام الخلايا المحبة للماء للأنظمة العضوية.
بالنسبة لبعض المساحيق البوليمرية ، يمكن أن يوجد تأثير ثلاثي الشحن26,27 يحدث بين جزيئات المسحوق وطرف الماصة البلاستيكية. نتيجة لذلك ، قد يلتصق المسحوق بالجزء الخارجي من طرف الماصة عند تحميل الماصة بجزيئات المسحوق. لم يتسبب التصاق المسحوق في أي مشكلة في نقل المسحوق أو تعبئة الجسيمات. ومع ذلك ، إذا أصبح التصاق الجسيمات مشكلة ، فيمكن محاولة إجراء بعض التعديلات التي قد تقلل من حدوث الجسيمات الملتصقة بالماصة. أحد الخيارات هو ترطيب الطرف الخارجي للماصة بالماء وتجفيف الطرف لتعطيل الكهرباء الساكنة. خيار آخر هو استخدام ماصة زجاجية بدلا من البلاستيك. الخيار الثالث هو نقل جزيئات المسحوق في بيئة أكثر رطوبة.
هذه التقنية هي طريقة مقتصدة لقياس أحادي البعد (1D) لطول تسرب السوائل داخل طبقة جسيمات 3D. لذلك ، لن تتمكن هذه التقنية إلا من حساب مسار التدفق التفضيلي في اتجاه الاهتمام.
يناقش البروتوكول الحالي نقل السوائل من خلال وسائط مسامية ، باستخدام إعداد مقتصد والقضاء على مضاعفات ونفقات المجهر الضوئي. بالإضافة إلى ذلك ، مع طاولة مضيئة بالأشعة فوق البنفسجية لإثارة الأنواع الفلورية والضوئية ، يمكن أيضا استخدام هذه التقنية لتصوير مصير الجسيمات الجزيئية والنانوية ونقلها. بالنسبة لهذا الإعداد ، سيحتاج بروتوكول المذيبات إلى تعديل الأنظمة الجزيئية والجسيمات النانوية.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
ليس لدى المؤلفين ما يكشفون عنه.
Acknowledgments
اي.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| µ-Slide I Luer | ibidi | 80191 | Microfluidic flow cell |
| Beaker | Southern Labware | BG1000-800 | Glassware |
| CALIBRE 301-58 LT Natural Polycarbonate Resin | TRINSEO LLC | CALIBRETM 301-58 LT | Natural polycarbonate resin |
| Ethanol | Sigma Aldrich | 1.00983 | Solvent |
| Fume Hood | Kewaunee | Supreme Air LV Fume Hoods | Used with 92 FPM at 18" opening |
| iPhone 7 plus | Apple | Camera | |
| Opaque 3D printed material | The CAD drawing is provided in the supplemental file | ||
| ORGASOL 2002 ES 6 NAT 3 | ARKEMA | A12135 | Polyamide powder |
| Pipet | VWR | 10754-268 | Disposable Transfer Pipet |
| Pipette | Globe Scientific Inc. | 3301-200 | Pipette that can hold 125 µL of fluid |
| Polystyrene | Advanced Laser Materials, LLC. | PS200 | Polystyrene for sintering |
| Tracker | Video analysis and modeling tool | ||
| VariQuest 100 White Light Model 3-3700 | FOTODYNE | 3-3700 | White light |
| Water | Distilled water |
References
- Redwood, B., Schoffer, F., Garret, B. The 3D Printing Handbook. , 3D HUBS. Amsterdam, NL. (2018).
- Chaffins, S., Holden, A., Donovan, K. J., Hinch, G. Three dimensional printing, Patent ID: 20210087418. , Available from: https://uspto.report/patent/app/20210087418 (2021).
- Emamjomeh, A., et al. Three dimensional printing, Patent ID: 20210095152. , Available from: https://uspto.report/patent/app/2021009515.2 (2021).
- Chaffins, S., Holden, A., Donovan, K. J., Midrez, N., Hinch, G. Three dimensional printing, Patent ID: 20210107216. , Available from: https://uspto.report/patent/app/20210107216#C00011 (2021).
- Petosa, A. R., Brennan, S. J., Rajput, F., Tufenkji, N. Transport of two metal oxide nanoparticles in saturated granular porous media: Role of water chemistry and particle coating. Water Research. 46 (4), 1273-1285 (2012).
- Giordano, S. Effective medium theory for dispersions of dielectric ellipsoids. Journal of Electrostatics. 58 (1-2), 59-76 (2003).
- Toloni, I., Lehmann, F., Ackerer, P. Modeling the effects of water velocity on TiO2 nanoparticles transport in saturated porous media. Journal of Contaminant Hydrology. 171, 42-48 (2014).
- Dang-Vu, T., Hupka, J. Characterization of porous materials by capillary rise method. Physicochemical Problems of Mineral Processing. 39, 47-65 (2005).
- Huang, W. E., Smith, C. C., Lerner, D. N., Thornton, S. F., Oram, A. Physical modelling of solute transport in porous media: evaluation of an imaging technique using UV excited fluorescent dye. Water Research. 36 (7), 1843-1853 (2002).
- Zhao, J., Li, H., Cheng, G., Cai, Y. On predicting the effective elastic properties of polymer nanocomposites by novel numerical implementation of asymptotic homogenization method. Composite Structures. 135, 297-305 (2016).
- Seymour, M. B., Chen, G., Su, C., Li, Y. Transport and retention of colloids in porous media: Does shape really matter. Environmental Science and Technology. 47 (15), 8391-8398 (2013).
- Ochiai, N., Kraft, E. L., Selker, J. S. Methods for colloid transport visualization in pore networks. Water Resources Research. 42 (12), (2006).
- Rottman, J., Sierra-Alvarez, R., Shadman, F. Real-time monitoring of nanoparticle retention in porous media. Environmental Chemistry Letters. 11 (1), 71-76 (2013).
- Xing, Y., Chen, X., Chen, X., Zhuang, J. Colloid-mediated transport of pharmaceutical and personal care products through porous media. Scientific Reports. 6 (1), 1-10 (2016).
- Dathe, A., et al. Functional models for colloid retention in porous media at the triple line. Environmental Science and Pollution Research. 21 (15), 9067-9080 (2014).
- Zhang, T., et al. Investigation of nanoparticle adsorption during transport in porous media. SPE Journal. 20 (4), 667-677 (2015).
- Zhang, Q., Karadimitriou, N. K., Hassanizadeh, S. M., Kleingeld, P. J., Imhof, A. Study of colloids transport during two-phase flow using a novel polydimethylsiloxane micro-model. Journal of Colloid and Interface Science. 401, 141-147 (2013).
- Environmental Protection Agency. Health and environmental effects of particulate matter (PM). EPA. , Available from: https://www.epa.gov/pm-pollution/health-and-environmental-effects-particulate-matter-pm (2021).
- Bridge, J. W., Banwart, S. A., Heathwaite, A. L. Noninvasive quantitative measurement of colloid transport in mesoscale porous media using time lapse fluorescence imaging. Environmental Science & Technology. 40 (19), 5930-5936 (2006).
- ASTMInternational. Standard test methods for determining loose and tapped bulk densities of powders using a graduated cylinder. ASTMInternational. , (2018).
- Donovan, K. J. Microfluidic investigations of capillary flow and surface phenomena in porous polymeric media for 3D printing. , Oregon State University. (2019).
- Brown, D., et al. 34;Try Tracker Online." Tracker Video Analysis and Modeling Tool for Physics Education. , Available from: https://physlets.org/tracker/ (2022).
- Janssen, P. H. M., Depaifve, S., Neveu, A., Francqui, F., Dickhoff, B. H. J. Impact of powder properties on the rheological behavior of excipients. Pharmaceutics. 13 (8), 1198 (2021).
- Boschini, F., Delaval, V., Traina, K., Vandewalle, N., Lumay, G. Linking flowability and granulometry of lactose powders. International Journal of Pharmaceutics. 494 (1), 312-320 (2015).
- Yablokova, G., et al. Rheological behavior of β-Ti and NiTi powders produced by atomization for SLM production of open porous orthopedic implants. Powder Technology. 283, 199-209 (2015).
- Lumay, G., Fiscina, J., Ludewig, F., Vandewalle, N. Influence of cohesive forces on the macroscopic properties of granular assemblies. AIP Conference Proceedings. 1542, 995 (2013).
- Lumay, G., et al. Effect of relative air humidity on the flowability of lactose powders. Journal of Drug Delivery Science and Technology. 35, 207-212 (2016).
