Non-Newtonian Akışkanlar Bırak Etkisi Dynamics Eğitim Hızlı Görüntüleme Tekniği
March 5th, 2014
Farklı fiziksel parametrelerin çok kısa bir süre (bir milisaniyeden daha az onda biri) üzerinde dinamiklerini etkileyebilecek beri non-Newtonian akışkanların Bırak etkisi karmaşık bir süreçtir. Bir hızlı görüntüleme tekniği farklı non-Newtonian akışkanların etkisi davranışlarını karakterize etmek amacıyla tanıtıldı.
Aşağıdaki deneyin genel amacı, hızlı bir görüntüleme tekniği kullanarak Newtonian olmayan sıvı metal damlacıklarının ve yoğun granüler süspansiyonların çarpma dinamiklerini incelemektir. Bu, damlacıklar bir yüzeye çarptığında anlık dinamikleri görselleştirmek için hızlı bir kamera tesisi kurarak elde edilir. İkinci adım olarak, oksidasyonun neden olduğu yüzey elastikiyetinin yayılma yarıçapını nasıl etkilediği hakkında bilgi sağlamak için sıvı metallerin bir dizi darbe deneyi yapın.
Ardından, sıçrama başlangıçlarını ve yayılma dinamiklerini araştırmak için yoğun süspansiyonlarla darbe deneyleri yapın. Etkin yüzey gerilimi, viskozite çarpma hızı ve asılı parçacık çapı gibi farklı akışkan parametrelerinin birlikte Newton olmayan damlacıkların etki dinamiklerini yönettiğini gösteren sonuçlar elde edilir. Bu yöntem, bir sistemin davranışının küresel özellikleriyle tanımlanabileceği veya tek tek parçacıkların ne zaman hesaba katılması gerektiği gibi yoğun süspansiyonlar alanındaki temel soruların yanıtlanmasına yardımcı olabilir.
Bu ölçüm, karmaşık sıvının etki dinamikleri hakkında fikir verebilir. Kırılma durumlarının oluşumu, damla sıvı damlalarının katı bir şekilde sıkıştırılması ve granül sistemlerinde hızlı parçacık hareketi gibi hızlı dinamikleri içeren diğer süreçlerin gözlemlenmesine de uygulanabilir Görüntüleme kurulumunu hazırlayarak başlayın. Bir bileşen, bir şırınga pompası montajını, şırınga pompasını destekleyebilen dikey bir yoldur, böylece test sıvısı serbest düşme yüksekliğini değiştirmek için farklı yüksekliklere hareket ettirilebilir.
Rayın yanında, yatay bir çarpma düzlemi görevi gören temiz bir cam plakayı destekleyen bir çerçeve bulunur. Plakanın yüzeyinin yatay olarak düzleştirildiğinden emin olun. Aşağıdan düşme etkisini görselleştirmek için cam yüzeyin altına eğimli bir yansıtıcı ayna yerleştirin.
Ardından, sıvı metal etkisini görüntülemek için alttan görüntülemeye yardımcı olmak için ışığı yansıtmak için cam plakanın üzerine opak beyaz kağıt yapıştırın. Yandan görünümlü görüntülemeye yardımcı olmak için görüntüleme yönünün karşısına şeffaf bir kağıt difüzör yerleştirin. Ardından difüzörün arkasındaki bölgeye bir ışık kaynağı yerleştirin.
Etki bölgesini eşit şekilde aydınlatmak için ışık kaynaklarını açın. Şimdi, yüzeyi görüntüleyebilmesi için bir tripod üzerinde uygun bir lense sahip bir kamerayı düzleştirin. Kamerayı, kontrol ve görüntüleme için kullanılan bir bilgisayara bağlayın.
Kapalı bir kapta saklanan galyum indiyum utic ile numune hazırlamaya başlayın Oda sıcaklığında, kaptan üç mililitre çıkarmak için bir pipet kullanın. Akrilik bir plaka alın ve üzerine galyum indiyum UTA'yı sıkın. Numunenin havada tamamen oksitlenmesi için 30 dakika bekleyin.
İnce bir oksitlenmiş deri tabakası numune yüzeyini tamamen kaplayacaktır. Hidroklorik asit ile çalışmak için uygun önlemleri alın ve bir TER kabında 200 mililitrelik bir asit banyosu hazırlayın. Banyo konsantrasyonu deneysel bir parametredir.
Numuneyi banyoda olacak şekilde asit banyosuna koyun. 60 dakika boyunca saniyede 10 devirde kesmek için bir TER kullanın. Asitli ön yıkama işlemi tamamlandıktan sonra banyoyu ReMeter'den çıkarın.
Numuneyi geri kazanmak için bir ila iki milimetre çelik nozul ucuna sahip iki mililitrelik plastik bir şırınga kullanın, banyodan 1.5 mililitre galyum indium aktik çıkarın. Numune artık kullanıma ve deneylere hazırdır. Şırıngayı şırınga pompasına monte edin, yoğun süspansiyonlar için numune hazırlama.
Deneyler, süspansiyonu dağıtmak için silindirik bir tüp olarak kullanmak üzere ucunu kesen ticari bir şırınga ile başlar: Şırıngayı doldurmak için. İlk önce bir kap su alın. Şırınganın ucunu suya yerleştirin, doldurmak için pistonu geri çekin ve hava kabarcığı olmadığından emin olun.
Ardından, şırıngayı açık ucu yukarı bakacak şekilde tutun. Küresel zirkonyum dioksit veya cam boncukları şırıngaya dolana kadar koyun ve suyun dökülmesine izin verin. Bu ucu düz tutmak için üstteki fazla yapışkan parçacıkları çıkarmak için bir tıraş bıçağı kullanın.
Şırıngayı çevirin ve pompa yüzeyine monte edin. Gerginlik, parçacıkların düşmesini önleyecektir. Video kaydetmeden önce, görüntüleme ve aydınlatma sistemlerini ayarlamak ve uzamsal çözünürlüğü kalibre etmek için adımlar atın.
İlk olarak, sıvıyı saatte 20 mililitre hızında dışarı itmek için şırınga pompasını çalıştırın. Buradaki sıvıyı, yoğun bir süspansiyonun şırıngadan ayrılmasını ve cam yüzey üzerinde bir test etkisi yapmak için düşmesini bekleyin. Çarpma meydana geldiğinde, şırınga pompasını kapatın.
Ardından, uyarı monitörde gösterilene kadar kamera konumunu ve yönünü ayarlayın. Ardından, görüntünün reprodüksiyon oranını bire bir olarak ayarlayın ve çalışma mesafesini, kamera bir kareye ayarlandığında görüntü odak düzleminde olacak şekilde değiştirin. Saniyede 6.000 kareden daha büyük olması, en iyi kalitede görüntüyü elde etmek için diyafram boyutunu, pozlamayı, süreyi ve aydınlatma açısını değiştirir.
Kamera ayarları bulunduktan sonra, monitördeki görüş alanına bir cetvel yerleştirin. Bir santimetreye sığan piksel sayısını sayarak uzamsal çözünürlüğü hesaplamak için cetveli kullanın. Yatay ve dikey yönler arasında çözünürlük farkı olmadığından emin olun.
Görüntüleme sistemini kalibre ettikten sonra, şırınga pompasını saatte 20 mililitre hızla yeniden başlatın. Aynı zamanda, verileri kaydetmeden önce darbe sürecini izlemek için kamera kontrol yazılımını hazırlayın. Damla nozuldan ayrıldığı anda kameranın manuel olarak tetiklenmesine izin vermek için damla oluşmaya başladığında dikkatli bir şekilde izleme alıştırması yapın.
Veriler kaydedildikten sonra, videoyu etkiyi içeren kısma göre düzenleyin ve analiz için bir görüntü dizisi olarak kaydedin. Hızlı görüntüleme tekniği, galyum indiyum aktik'in farklı oksit ile etkisini incelemek için kullanılmıştır. Asit tarafından belirlenen cilt gücü.
Burada gösterilen ön yıkama, bir cam yüzeye çarptıkça üç farklı müstahzarın yayılmasını gösteren çerçevelerdir. Her damla aynı nozul yüksekliğinden düştü ve saniyede yaklaşık bir metre hızla çarptı. İlk damla çapı, ön yıkama olmadan 6.25 milimetre idi.
Bir oksit deri, sıvının yüzey enerjisini gevşetmesini önler, bu da düşme aşamasında küresel olmayan bir şekle neden olur, numuneleri ve asidi yıkamak oksidi azaltır ve cilt etkisini zayıflatır. Yeterince güçlü asit konsantrasyonlarında. Galyum, indiyum ve sıradan sıvılar arasında bir fark gözlenmez.
Veriler, kılcal rejimden viskoz rejime geçişin gösterilmesine izin verir. İlk yarıçapın son yarıçapa pm'sinin Reynolds sayısına bölünmesiyle elde edilen beşte bir kuvvet, etkili bir Weber sayısının oranına karşı çizildiğinde ve Reynolds sayısının beşte dört kuvvete oranı, yoğun süspansiyonda sıçrama başlangıcı, viskoz dağılımın eylemsizlik etkilerine kıyasla ihmal edilebilir olduğu rejimde incelenmiştir. Bu, ürünü yatay eksen boyunca olan farklı parçacık yoğunlukları ve radyo için sıçrama fazı diyagramıdır.
Dikey eksen, el yazmasında tanımlanan parçacık Weber numarasıdır. Kırmızı daireler her zaman bir sıçrama bulunduğunu gösterir. İç kısım tipik bir açılış görüntüsünü gösterir.
Mavi noktalar hiçbir sıçrama bulunamadı ifadesine karşılık gelir. İkinci iç kısım, sıçrama yapmayan bir görüntü örneğidir. Hem sıçramanın hem de sıçramanın bulunmadığı durumlar yeşil karelerle gösterilir.
Deney her nokta için 10 kez tekrarlanmıştır. Sonuçlar, yaklaşık 14 artı veya eksi iki olan kritik bir Weber sayısı ile tutarlıdır. Bu prosedürü denerken, numunelerinizi tutarlı bir şekilde yapabileceğinizden emin olmanız için numunelerinizi hazırlama alıştırması yapmanız ve paketleme fraksiyonunu sık sık belirlemeniz önemlidir.
Bu, deneysel sonuçlarınızın geliştirildikten sonra tekrarlanabilir olmasını sağlayacaktır. Bu teknik, karmaşık sıvılar alanındaki araştırmacıların çeşitli sıvı sistemlerinin etki dinamiklerini keşfetmelerinin yolunu açtı.
View the full transcript and gain access to thousands of scientific videos
Genel Bakış
Bu çalışma, hızlı görüntüleme tekniği kullanarak, özellikle sıvı metaller ve yoğun granüler süspansiyonlar olan Newton olmayan damlaların etki dinamiklerini araştırır. Araştırma, çeşitli sıvı parametrelerinin etki üzerindeki davranışları nasıl etkilediğini anlamayı amaçlamaktadır.
Çalışmanın Temel Bileşenleri
Bilim Alanı
- Akışkan dinamiği
- Newton olmayan sıvılar
- Etki mekaniği
Arka Plan
- Newton olmayan sıvılar, stres altında karmaşık davranışlar gösterir.
- Damla etki dinamiklerinin anlaşılması, çeşitli uygulamalar için önemlidir.
- Hızlı görüntüleme teknikleri, sıvı davranışlarının gerçek zamanlı gözlemlenmesini sağlar.
- Oksidasyon ve yüzey elastiklik sıvı dinamiğini etkileyebilir.
Çalışmanın Amacı
- Newton olmayan sıvıların etki davranışlarını karakterize etmek.
- Yüzey elastiklik etkisinin yayılma yarıçapını nasıl etkilediğini araştırmak.
- Yoğun süspansiyonlarda sıçrama başlangıcını ve yayılma dinamiklerini araştırmak.
Kullanılan Yöntemler
- Görselleştirme için hızlı bir kamera tesisinin kullanılması.
- Sıvı metallerle etki deneyleri yapmak.
- Yoğun granüler süspansiyonlar ile deneyler yapmak.
- Sıvı parametrelerinin etki dinamikleri üzerindeki etkilerini analiz etmek.
Ana Sonuçlar
- Farklı sıvı parametreleri, Newton olmayan damlaların etki dinamiklerini yönetir.
- Etkili yüzey gerilimi, viskozite ve parçacık çapı önemli roller oynar.
- Sonuçlar, küresel özelliklerin mi yoksa bireysel parçacıkların mı davranışa hakim olduğuna dair içgörüler sağlar.
- Hızlı görüntüleme tekniği, anlık dinamikleri başarıyla yakalar.
Sonuçlar
- Çalışma, Newton olmayan damla etkilerinin anlaşılmasını artırır.
- Bulgular, akışkan dinamiği ve malzeme bilimi alanında gelecekteki araştırmalara bilgi verebilir.
- Hızlı görüntüleme, karmaşık sıvı davranışlarını incelemek için değerli bir araçtır.
Sıkça Sorulan Sorular
Executive Industry Relevance
This fast imaging technique enables precise characterization of non-Newtonian fluid impact dynamics, which is critical for de-risking formulations in drug delivery, inkjet printing, and coating processes where droplet behavior affects product performance. By resolving microscale phenomena at high temporal and spatial resolution, the method supports predictive modeling of fluid-structure interactions, reducing reliance on empirical trial-and-error in early development. The approach provides a scalable platform for evaluating how formulation parameters such as viscosity, surface tension, and particle loading influence impact outcomes, directly informing go/no-go decisions in preclinical candidate selection.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Scientific Value: Enables interrogation of how surface oxidation and interfacial tension govern droplet spreading, supporting mechanistic understanding of biointerface interactions.
- Operational Value: Provides quantitative readouts on spreading radius and splashing onset, allowing functional validation of fluid properties under impact conditions.
Screening & Assay Development
- Scientific Value: Facilitates preparation of reproducible droplet impact assays for assessing how formulation variables influence splash behavior and energy dissipation.
- Operational Value: Delivers standardized, high-resolution imaging outputs that ensure assay consistency across different fluid systems and experimental runs.
Translational & Preclinical Research
- Scientific Value: Supports disease-relevant modeling of mucosal or pulmonary drug delivery where non-Newtonian droplet impact determines deposition efficiency.
- Operational Value: Enables risk-adjusted advancement decisions by linking fluid parameter thresholds to observed impact regimes, improving predictive confidence in formulation performance.
Pipeline & Workflow Integration
The technique fits within the discovery continuum by enabling hypothesis testing in early formulation screening, providing quantitative analytics for lead identification, and supporting translational continuity through biomechanically relevant impact metrics.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing on how surface modifiers and particle suspensions alter droplet dynamics upon impact, clarifying structure-function relationships in complex fluids.
- Screening: Delivers assay readiness through standardized impact visualization, ensuring reproducible quantification of spreading and splashing endpoints across formulation libraries.
- Analytics: Generates quantitative measurements of flow field, spreading distance, and splashing speed from video analysis, enabling objective comparison of fluid responses under controlled impact conditions.
- Translational Research: Connects to preclinical relevance by modeling impact dynamics in systems mimicking biological surfaces, such as epithelial layers or mucosal barriers, where droplet behavior affects bioavailability.
- Enterprise Reuse: Functions as a reusable platform for evaluating diverse fluid systems—from liquid metal analogs to biopolymer suspensions—across multiple projects without revalidation of core imaging parameters.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence by reducing mechanistic ambiguity in how non-Newtonian properties govern impact outcomes, enabling first-principles formulation design.
- Operational Value: Ensures standardization and scalability through calibrated imaging protocols that maintain 10 µm/pixel resolution and microsecond temporal resolution across users and sites.
- Strategic Value: Improves capital efficiency by identifying non-viable formulations early through objective splash and spreading thresholds, reducing late-stage failure risk in delivery device development.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization by correlating fluid parameter space with impact regime maps, supporting data-driven advancement decisions in formulation pipelines.
Implementation Considerations
- Requires expertise in high-speed videography, fluid mechanics, and image analysis to synchronize camera triggering, lighting, and spatial calibration for accurate impact capture.
- Depends on instrumentation including a high-speed camera (≥6,000 fps), macro lens with long working distance, synchronized lighting system, and precision fluid dispensing via syringe pump.
- Necessitates cross-team standardization of impact surface preparation, fluid loading protocols, and environmental controls to ensure reproducibility across formulation screening campaigns.
- Involves adaptation considerations when transferring from model fluids (e.g., oxidized gallium indium, zirconium dioxide suspensions) to biologically relevant systems such as hydrogels, mucins, or lipid nanoparticles, where surface properties and rheology differ significantly.
- Includes practical limitations such as the need for optically accessible impact surfaces and constraints on droplet size and impact velocity due to syringe pump flow rates and nozzle geometry, as noted in the setup requiring manual triggering at drop detachment.
Biopharma FAQs
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
