Резюме
Локалното нагряване на дегазирана вода генерира микромехурчета, съставени главно от водни пари, и създава силни потоци около мехурчетата. Използвана е високоскоростна видеокамера Hyper Vision™ HPV™-X2, за да се запишат мехурчетата от водни пари, които осцилират с честота около 0,5 MHz. Това предостави ценни данни за изследване на връзката между осцилирането на мехурчетата и генерирането на потоци.
Въведение
Устройствата, които работят с малки количества течност, се наричат микрофлуидни устройства и намират широко приложение в различни области. Чрез намаляване на количеството обработвана течност, например при биохимичен анализ, е възможно бързо да се извърши анализ с малък обем на пробата. Въпреки това ефектът на вискозитета на флуида е значителен в микрометричен мащаб, така че все още не е лесно да се смесват ефективно флуиди в тесен канал.
В скорошни доклади бяха съобщени примери за микрофлуидни операции, използващи фототермично нагряване и микромехурчета1)-
3). Когато лазер се фокусира върху тънък филм от златни наночастици или FeSi2, светлината се абсорбира и се превръща в топлина. Следователно лазерното петно върху тънкия филм може да се използва като локален източник на топлина. Тази топлина генерира микромехурчета във водата, които след това се подлагат на температурен градиент. Това създава градиент на повърхностното напрежение на повърхността на мехурчето, което генерира конвекционно течение на Марангони около него. Ако водата не е
не е дегазирана, полученото мехурче е съставено предимно от въздух, като конвекцията се проявява само в близост до мехурчето. От друга страна, ако водата е била дегазирана, образуваните мехурчета се състоят предимно от водни пари4)-6). Установено е, че конвекционните потоци, предизвикани около мехурче с водна пара, са с един порядък по-бързи от тези, генерирани около въздушно мехурче. Скоростта достига порядъка на 1 m/s в непосредствена близост до мехурчето. Очаква се това явление да бъде полезно като нова микрофлуидна техника за задвижване и смесване. Въпреки това механизмът, по който се осъществява конвекцията, все още не е напълно изяснен.
Един от източниците на конвекция около мехурчетата с водни пари е силата на Марангони. Това е силата на срязване, генерирана от градиента на повърхностното напрежение, който е резултат от температурния градиент. Въпреки това, ако приемем, че само силата на Марангони предизвиква конвекция, е необходима температурна разлика от повече от 60 K в посока на диаметъра на мехурчето. Тъй като диаметърът на мехурчето с водни пари е около 10 µm, е трудно да се поддържа голяма температурна разлика там. Друга възможна причина за конвекция е осцилацията на мехурчето. Съобщава се, че мехурчетата осцилират в диапазона под МHz въз основа на улавянето на разсеяна светлина от мехурчетата. За да се оцени силата на конвекцията, дължаща се на осцилации на мехурчетата, е необходимо да се знае размерът и формата на мехурчето във времето. Честотата на трептене на мехурчетата водна пара обаче е по-бърза от скоростта на типична камера, което затруднява улавянето на тяхното движение. В тази статия съобщаваме за успешното наблюдение на осцилациите на тези мехурчета водна пара с помощта на HPV-X2, който може да заснема изображения със скорост до 10 Mfps.
1 Катедра "Микроинженерство", Висше училище по инженерство, Университет Киото
2 Solutions COE, Отдел за аналитични и измервателни инструменти, Shimadzu Corporation
Генериране на мехурчета водна пара и откриване на осцилацията на мехурчетата чрез разсейване на светлината 4), 6)
Първо, бяха създадени мехурчета водна пара чрез локално загряване на дегазираната вода и беше потвърдено, че около мехурчетата се наблюдава конвекция. Тънък филм от златни наночастици беше нанесен върху стъклена подложка като тънък филм за фототермично преобразуване. Този тънък филм беше потопен във вакуумна дегазирана с ултразвук вода и върху него беше фокусиран CW лазер с дължина на вълната 785 nm. На фиг. 1 е показано типично микроскопско изображение на мехурче и конвекция, наблюдавани около лазерна точка върху тънък филм за фототермично преобразуване. То е наблюдавано от хоризонталната посока на повърхността на тънкия филм. Малката черна сфера, която се вижда над лазерното петно или локалната точка на нагряване, е генерираното мехурче водна пара, а точките във флуида са полистиренови сфери, добавени за визуализиране на конвекцията. За да се визуализира траекторията на сферите, 100 изображения, направени за 1 секунда, се наслагват и показват. При образуването на мехурчето дегазираната вода се ускорява в посока, перпендикулярна на повърхността на субстрата, създавайки силен ротационен поток. След това полученият мехур е наблюдаван при малко по-голямо увеличение. За наблюдението на мехурчето се използва стандартна високоскоростна камера, като честотата на кадрите е настроена на 100 kfps, а времето на експозиция - на около 7 µs. Резултатите са показани на фиг. 2. Около 50 µs след началото на лазерното облъчване и създаването на мехурчето, видимият размер на мехурчето е бил около 10 µm6). Лазерното облъчване в продължение на повече от минута не променя видимия размер на мехурчето. Въпреки че мехурчето изглеждаше стабилно, колкото и опити да се правеха да се фокусира светлинният микроскоп върху мехурчето, контурът на мехурчето не се фокусираше, както е показано на фиг. 2. Смята се, че това се дължи на факта, че мехурчето се колебае с период, по-кратък от времето за експониране на камерата.
3. Високоскоростно изобразяване на мехурчета водни пари с HPV-X2
За да се уловят осцилациите на мехурчетата водна пара, образувани в дегазирана вода, бяха проведени експерименти за наблюдение на мехурчетата с помощта на HPV-X2. Схема на експерименталната инсталация е показана на фигура 4. Първо, в стъклена клетка е затворена стъклена подложка, върху която е нанесен тънък филм за фототермично преобразуване (FeSi2 тънък филм, 50 nm), и дегазирана вода. Тя беше поставена на микроскоп и CW лазер (дължина на вълната: 830 nm, Thorlabs FPL830S) беше фокусиран върху тънкия филм за фототермично преобразуване откъм стъклената подложка. Фокусирането на лазера върху тънкия филм беше проверено с помощта на камера 1 (Baumer HXC20) от посока, перпендикулярна на повърхността на филма. Генерираните мехурчета бяха наблюдавани хоризонтално от повърхността на субстрата с помощта на камера 2 (HPV-X2). Честотата на кадрите е определена на 5 Mfps. За да се избегне нагряването на образеца с осветителната светлина, като осветителна светлина беше използван импулсен лазер (Cavitar, система CAVILUX Smart) с дължина на вълната 640 nm и широчина на импулса 20 ns. Чрез свързване на HPV-X2 и импулсен лазер за синхронизиране на времето за запис и излъчване, лесно можеха да се получат ярки изображения. Освен това, като се използва режимът на камерата "на живо", позицията за наблюдение може да се регулира, докато се наблюдава пробата с камерата, точно както при използването на стандартна камера. Високоскоростното заснемане на мехурчето беше извършено няколко секунди след началото на лазерното излъчване за генериране на мехурчета. Поради това се предполага, че наблюдаваните мехурчета са в квазистабилно състояние. На фиг. 5 е показано изображение на мехурче от водни пари, направено с HPV-X2. Изображението е направено в хоризонтална посока върху повърхността на субстрата. Под изображението на мехурчето може да се види огледален образ на мехурчето, отразено върху повърхността на субстрата. Заснемането на осцилациите на мехурчетата е постигнато чрез запис със скорост 5 Mfps. Периодът на трептене на мехурчетата, получен с помощта на HPV-X2, е около 2 µs, което съвпада добре с честотата на трептене на мехурчетата, измерена с помощта на разсейване на светлината. Поради това се смята, че един цикъл на осцилация на мехурчетата е бил уловен при достатъчна честота на дискретизация. Освен това това наблюдение показа, че мехурчетата имат форма, която се простира странично спрямо субстрата, когато растат (време = 0,0 - 1,0 µs), и форма, която се простира перпендикулярно на повърхността на субстрата, когато се свиват (време = 1,2 - 1,8 µs). Установено е също така, че размерът на мехурчето се променя значително по време на периода на осцилация и има моменти, когато то намалява достатъчно, за да бъде невидимо за камерата (време = 2,0 µs). Тези резултати помагат да се изясни приносът на осцилациите за образуването на конвекция около мехурчета.
4. Заключение
В тази статия се описва наблюдението на осцилации на мехурчетата водна пара с помощта на високоскоростна видеокамера HPV-X2. Резултатите показаха как размерът и формата на мехурчетата водна пара се променят по време на един цикъл на осцилация. Това ни доближава до разбирането на принципа на конвекцията около мехурчетата с водни пари. По-нататъшното използване на HPV-X2 в бъдеще ще даде възможност за изясняване на явления, които досега са били трудни за оценка, като например как се движат мехурчетата, когато се генерират няколко мехурчета едновременно, и дали има някакви взаимодействия между движенията на мехурчетата. Освен това се очаква този метод да бъде широко използван не само за осцилации на мехурчетата, но и за изясняване на явления, свързани с потока в микро- и нанометричен мащаб, като по този начин се създаде нова област на изследване.
4. Препратки
1) Namura, K., Nakajima, K., Kimura, K., Suzuki, M.: Applied Physics Letters, 106 (4) (2015) 043101.
2) Namura, K., Nakajima, K., Kimura, K., Suzuki, M.: Applied Physics Letters, 108 (7) (2016) 071603.
3) Namura, K., Nakajima, K., Suzuki, M.: Nanotechnology, 29 (6) (2018) 065201.
4) Namura, K., Nakajima, K., Suzuki, M.: Scientific Reports, 7 (2017) 45776.
5) Namura, K., Imafuku, S., Kumar, S., Nakajima, K., Sakakura, M., Suzuki, M.: Scientific Reports, 9 (1) (2019) 4770.
6) Namura, K., Okai, S., Kumar, S., Nakajima, K., Suzuki, M.: Advanced Materials Interfaces, 7 (18) (2020) 2000483.
English 
German 
Czech 
Slovak 
Bulgarian 
Romanian 