Summary
Önerilen teknik, paketlenmiş bir toz yatağından akışkan akışı görüntülemek için yeni, verimli, tutumlu ve invaziv olmayan bir yaklaşım sağlayacak ve yüksek mekansal ve zamansal çözünürlük sağlayacaktır.
Abstract
Nanopartiküller de dahil olmak üzere moleküler ve kolloidal transportun yeni görüntüleme tekniklerinin geliştirilmesi, mikroakışkan ve miliakışkan çalışmalarda aktif bir araştırma alanıdır. Üç boyutlu (3D) baskının ortaya çıkmasıyla birlikte, yeni bir malzeme alanı ortaya çıkmış ve böylece yeni polimerlere olan talep artmıştır. Spesifik olarak, bir mikron mertebesinde ortalama parçacık boyutlarına sahip polimerik tozlar, akademik ve endüstriyel topluluklardan artan bir ilgi görüyor. Mezoskopik ila mikroskobik uzunluk ölçeklerinde malzeme ayarlanabilirliğini kontrol etmek, gradyan malzemeler gibi yenilikçi malzemeler geliştirmek için fırsatlar yaratır. Son zamanlarda, malzeme için net uygulamalar geliştikçe, mikron boyutlu polimerik tozlara olan ihtiyaç artmaktadır. Üç boyutlu baskı, yeni uygulamalarla doğrudan bağlantısı olan yüksek verimli bir süreç sağlar ve mezoölçekte fizyo-kimyasal ve taşıma etkileşimlerine yönelik araştırmaları yönlendirir. Bu makalede ele alınan protokol, paketlenmiş toz yataklarındaki sıvı akışını görüntülemek için invaziv olmayan bir teknik sağlar ve akıllı telefonlar gibi mobil cihazlardan kolayca erişilebilen mobil teknolojiden yararlanırken yüksek zamansal ve uzamsal çözünürlük sağlar. Ortak bir mobil cihaz kullanılarak, normalde optik mikroskopla ilişkilendirilecek görüntüleme maliyetleri ortadan kaldırılır ve tutumlu bir bilim yaklaşımı ortaya çıkar. Önerilen protokol, çeşitli sıvı ve toz kombinasyonlarını başarıyla karakterize ederek, hızlı bir şekilde görüntüleme ve optimum sıvı ve toz kombinasyonunu tanımlamak için bir teşhis platformu oluşturmuştur.
Introduction
Mürekkep püskürtmeli bağlayıcı toz ortama püskürtme, eklemeli üretimde (3D baskı) önemli bir teknolojiyi temsil eder. Bağlayıcı püskürtme işlemi, fonksiyonel sıvıların bir tarama mürekkep püskürtmeli baskı işlemi kullanılarak toz ortama depolanmasıyla başlar. Spesifik olarak, bir mürekkep püskürtmeli yazıcı kafası toz yüzeyinin üzerine çevrilir, sıvı bağlayıcı maddeyi bir toz yüzeyine bırakır ve böylece katman katman1 tarzında katı bir parça oluşturur. Mürekkep püskürtmeli bağlayıcı püskürtme teknolojileri genellikle kum, metal tozları ve polimerik tozları içerir. Bununla birlikte, malzemelerin bağlayıcı püskürtmedeki alanını genişletmek için, sıvı-toz ve toz-toz etkileşimlerini, tribolojiyi, toz paketleme yoğunluğunu ve parçacık kümelenmesini araştırmak için temel bir yaklaşım gereklidir. Spesifik olarak, sıvı-toz etkileşimleri için, sıvı akışını toz yataklarından gerçek zamanlı olarak görüntüleme yeteneği için kritik bir ihtiyaç vardır. Bu, araştırmacıların bir karakterizasyon tekniği olarak ve potansiyel olarak farklı sıvı ve toz kombinasyonları için bir tarama yöntemi olarak 2,3,4'ün yanı sıra parçacık yatağı yöntemlerini kullanan beton 3D baskı sistemleri gibi daha karmaşık sistemleriçin güçlü bir araç olmayı vaat ediyor.
Nanopartiküller de dahil olmak üzere moleküler ve kolloidal transportun yeni görüntüleme tekniklerinin geliştirilmesi, mikroakışkan ve miliakışkan çalışmalarda aktif bir araştırma alanıdır. Moleküller arası etkileşimleri görüntüleme teknikleriyle araştırmak zor olabilir, çünkü doymamış ve kararsız sıvı akışı koşulları altında bu tür etkileşimleri araştırmak için çok az çalışma yapılmıştır. Literatürde bildirilen çalışmaların çoğu, cam boncuk 5,6,7,8,9,10,11,12 ve topraklar 13,14,15,16,17,18 gibi doymuş, önceden ıslanmış, gözenekli bir ortama odaklanmıştır. . Bu teknik, invaziv olmayan bir yaklaşım sağlar ve yüksek zamansal ve mekansal çözünürlük 2,3,4,19 ile sonuçlanır. Ayrıca, geliştirilen teknik, polimerik tozlara odaklanarak çeşitli gözenekli ortamlarda nano ölçekli ve mikron ölçekli parçacık taşınımını karakterize etmek ve ölçmek için yeni bir yöntem sunmaktadır.
Önerilen teknik, akışkan toz yatağı füzyon teknolojilerini kullanan 3D baskı sistemlerinde kullanılan tozları temsil eden parçacık boyutlarına sahip gözenekli polimerik ortamlar aracılığıyla doymamış, kararsız akışkan taşımayı kaydetmek için mobil bir cihaz kullanmaktadır. Bu teknik, akış hücreleri uygun maliyetli, yeniden kullanılabilir, küçük ve kolayca ele alınabildiğinden, tutumlu bilimin baskın yönlerini gösterdiği için avantajlıdır. Bu basit deneyleri bir saha çalışmasına uygulama yeteneği çok basittir ve optik mikroskopide gerekli olan komplikasyonları, maliyeti ve zamanı ortadan kaldırır. Kurulum oluşturma kolaylığı, hızlı sonuçlara erişim ve minimum sayıda numune gereksinimi göz önüne alındığında, bu teknik tanısal tarama için en uygun platformdur.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Mikroakışkan akış hücresinin hazırlanması
NOT: Bu protokol için ticari bir mikroakışkan akış hücresi kullanılacaktır. Optik mikroskoptan ışık penetrasyonu için tasarlanmış ticari bir ürün kullanılarak, ortamın parlak alan aydınlatması ile ilgili herhangi bir zorluk en aza indirilecektir.
- Boş akış hücresinin polimerik tozla paketlenebilmesi için kanalın bir ucunu kapatmak için çıkışı parafilmle kaplayarak mikroakışkan akış hücresini hazırlamaya başlayın. Deneye başlamadan önce, mikroakışkan kanalın temiz ve kuru olduğunu doğrulayın.
- Metrik kağıt cetveli doğrudan akış kanalının altına bantlayın.
- Mikroakışkan akış hücresini parafilm ve cetvel takılı olarak tartın. Akış hücresinin kütlesi, paketlenmemiş akış hücresi kütlesidir (mu).
2. Tozun kanala paketlenmesi
- Tozu paketlerken, tozu aktarmak için plastik bir pipet kullanın. Parçacıkların, triboşarjın bir sonucu olan pipet ucunun dışına yapışabileceğini unutmayın.
- Tozu kanala sokarken, tozu sıkıştırmak için akış hücresine en az beş kez dokunun. Toz, akış kanalının açılmasının başlangıcına ulaşana kadar paketlemeye devam edin.
NOT: Kılavuz çekme, tekrarlanabilir bir tanılama aracı sağlamak amacıyla kanal içindeki tozu sıkıştırır. Bazı uygulamalar için bu çaba, ilgili uygulamada gözlemlenen sıkıştırmadan daha yüksek, daha düşük veya eşdeğer bir toz sıkıştırma seviyesi olabilir. Uygulama içinde kılavuz çekme veya ambalaj tozunun tekrarlanabilirliği ile ilgili sorunlar varsa, ASTM D7481-1820 uygulamayı düşünün. - Akış hücresinin dış yüzeyinde bulunan tozu alkole batırılmış bir mendille çıkarın.
NOT: Bazı parçacık türleri hidrofobik olabilir, bu nedenle su parçacıkları iyi bir şekilde uzaklaştırmayabilir.
- Tozu kanala sokarken, tozu sıkıştırmak için akış hücresine en az beş kez dokunun. Toz, akış kanalının açılmasının başlangıcına ulaşana kadar paketlemeye devam edin.
- Tozlar paketlendikten sonra, gevşek bir şekilde paketlenmiş toz için akış hücresini görsel olarak inceleyin. Akış hücresi içindeki toz gevşek bir şekilde paketlenmiş görünüyorsa (Şekil 1), akış hücresine beş kez daha dokunun. Toz ambalajı tutarlı ve kompakt görünüyorsa, polimerik tozun kütlesini ölçmek için akış hücresini tartın (m p- mu; bkz. Denklem 1).
- Ambalajlanmamış (m u) ve paketlenmiş akış hücresi kütlesi (m p) arasındaki farkı kullanarak ve akış hücresinin hacmine bölerek yığın paketleme yoğunluğunu (ρ) hesaplayın. Akış hücresinin hacmi daha sonra bilinir [uzunluk (l): 50 mm, genişlik (g): 5 mm, kanal derinliği (y): 0,8 mm].
Eq 1 - Ambalaj yoğunluğunun, polimerik tozlar 2,3,4,21 için tipik 0,45 g/mL ila 0,55 g/mL aralığında olduğunu doğrulayın. 3. ve 4. adımlar tamamlanana kadar akış hücrelerini duman davlumbazında bırakın.
DİKKAT: Çapı 10 μm'den az olan parçacıklar akciğerlere nüfuz edebilir ve potansiyel olarak kan dolaşımına girebilir, bu da pulmoner ve kardiyovasküler sistemlerle ilgili sağlık sorunlarına neden olabilir. Bu deneyde kullanılan polimerik tozlar yaklaşık 50 μm'lik bir parçacık çapına sahiptir. Bu nedenle, parçacıkların solunması sağlık sorunlarına neden olma konusunda daha az potansiyele sahiptir, ancak dar partikül boyutu dağılımlarında bile daha küçük parçacıklar mevcuttur. En güvenli ortam için, akış hücrelerinin hazırlanması bir duman davlumbazında yapılmalıdır.
- Ambalajlanmamış (m u) ve paketlenmiş akış hücresi kütlesi (m p) arasındaki farkı kullanarak ve akış hücresinin hacmine bölerek yığın paketleme yoğunluğunu (ρ) hesaplayın. Akış hücresinin hacmi daha sonra bilinir [uzunluk (l): 50 mm, genişlik (g): 5 mm, kanal derinliği (y): 0,8 mm].
Eq 13. Çözücünün hazırlanması
- Suda ağırlıkça% 75'lik bir etanol çözeltisi hazırlayın. Çözücünün bu makalenin geri kalanında sıvı olarak adlandırılacağını unutmayın.
DİKKAT: Çözeltiyi hazırlamak için kullanılan beherin herhangi bir yüzey aktif maddeden arındırılmış olduğundan emin olun, çünkü yüzey aktif maddeler sonuçları etkileyecektir.
4. Beyaz ışık tablosunun hazırlanması
- Dedektörün (kameranın) çok fazla ışıkla taşmasını önlemek için, ışık tablosunu siyah polilaktik asit (PLA) filamentinde 3D baskılı bir kapak gibi opak bir malzemeyle örtün (Ek Şekil 1). Işığın tozu aydınlatmasına izin vermek için malzemenin, mikro kanalın (5 mm x 55 mm) boyutunda bir açıklığa sahip olduğundan emin olun.
NOT: Çok fazla ışık, kameranın ekranının veya monitörünün beyaz görüneceği ve mikro kanalın görünmeyeceği anlamına gelir. Bu nedenle, dedektör lensi mikrokanala odaklayamaz. - Mobil cihazdaki kameranın ıslak ve kuru toz arasındaki kontrastı yakalayabildiğinden emin olmak için ışık tablasını düşük ila orta ışık yoğunluğunda kullanın.
NOT: Yüksek ışık yoğunluğu %100'dür. Diğer iki ayar yüksek ışık yoğunluğuna göredir; Düşük ışık yoğunluğu ayarı ~%30 ve orta ışık yoğunluğu ~%65'tir. - Mobil cihazdaki kamerayı doğrudan ışıklı tablanın üzerine hizalayın. Fotoğraf makinesinin ışık tablosunun üst kısmına dik olduğunu doğrulayın (Şekil 2).
- Mobil cihazın uzun ekseni, akış hücresinin en uzun ekseniyle aynı hizada olacak şekilde kamerayı mobil aygıta yönlendirin.
5. Deneyi başlatma
- Akış hücresini ışık tablosuna yerleştirin ve kamerayı akış kanalındaki mobil cihaza odaklayın.
NOT: En iyi sonuçlar için, daha koyu (azaltılmış tepe aydınlatması) kayıt alanı genellikle daha iyi görüntü çözünürlüğü sağlar. Karanlık bir alan yoksa, kayıt sırasında baş üstü aydınlatmadaki değişiklikleri (ışıkların açılması, kapatılması veya karartılması) en aza indirmek, grafik sinyallerini iyileştirmeli ve deneydeki istenmeyen gürültüyü en aza indirmelidir. - Fotoğraf makinesini mobil cihaza odakladıktan sonra, kayıt düğmesini seçin. Bir pipet kullanarak mikrokanalın açık girişine 125 μL sıvı ekleyin.
- Akışı 2 dakika boyunca veya tüm toz gözle görülür şekilde ıslanana kadar kaydedin.
6. Verilerin analiz edilmesi
- Kolay erişim için video dosyasını mobil cihazdan bilgisayara aktarın. Dosya boyutu aşırı büyük olabileceğinden, 2 dakikadan uzun videoların şu anda yazılıma yüklenmeyebileceğini unutmayın.
- Physlets web sitesinden ücretsiz bir yazılım olan Tracker'ı indirin22. Bu yazılım aşağıdaki video dosyalarındaki konumu, hızı ve ivmeyi izleyebilir: .mov, .avi, .mp4, .flv, .wmv, vb. Aşağıdaki adımlar için lütfen Ek Dosya'ya bakın.
NOT: Mac kullanıcıları için, yazılımın düzgün çalışması için yazılımın en son sürümünü yükleyin. Ayrıca, Mac kullanıcıları bir video motoru (Xuggle), animasyonlu GIF dosyaları (.gif) veya bir veya daha fazla dijital görüntüden (.jpg, .png veya panodan yapıştırılmış) oluşan görüntü dizileri gerektirebilir. - Yazılım yüklendikten sonra, Tracker yazılımını açın. Dosya menüsünden, aktarılan video dosyasını bilgisayarın masaüstündeki adım 6.1'den yüklemek için Dosya Aç'ı seçin.
- Başlangıç Çerçevesini ve Adım Boyutu'nu tanımlamak için film şeridine benzeyen Klip Ayarları simgesini tıklatın.
NOT: Fareyi bir simgenin üzerine getirdiğinizde, simge tanımlanacaktır.- Başlangıç Çerçevesini tanımlayın. Başlangıç Çerçevesi, ilk kontrastın (ıslak ve kuru toz arasındaki kontrast) gözlendiği çerçeve olarak tanımlanır.
- Adım Boyutu'nu ayarlayın. Adım Boyutu, yazılımın analiz edeceği çerçeve adım boyutunu ifade eder. Önceki deneylerden, optimum Adım Boyutu 10'dur.
- Klip Ayarları düğmesinin sağındaki mavi cetvelli simge olan Kalibrasyon Aracı'na tıklayın. Yeni'den Kalibrasyon Çubuğu'nu seçin.
- Videodaki cetveli yakınlaştırmak için, büyütülecek alana sağ tıklayın ve listeden Yakınlaştır'ı seçin. Uygun şekilde büyütüldükten sonra, mikrokanala bantlanmış cetvel üzerinde 1 mm'nin başlangıcını ve sonunu ve mesafeyi tanımlamak için Tip 1 mm'yi tanımlayın.
- Kalibrasyon Aracı'nın sağındaki mor simge olan Koordinat Ekseni Aracı'na tıklayın. Bu adımı uygularken başlangıç çerçevesini kullanarak x ve y eksenleri için Köken'i ayarlayın.
- Analizin başlangıç noktasını tanımlamak için, bir Nokta Kütlesi oluşturun. Oluştur'a tıklayın ve ardından Point Mass'ı seçin. Dikdörtgenin boyutunu değiştirmek için Shift + Control tuşlarını kullanın. Başlangıç noktası, giriş ve kanalın bağlandığı yerdir.
NOT: Dikdörtgen, kullanıcı tarafından tanımlanan, yazılımın zıt ıslak ve kuru tozu bulmak için tarayacağı etki alanını gösterir. Sınır, kullanıcının başlangıç noktasının gözlemleneceği bölgeyi tanımlamasına izin verir.- Yazılımın doğru alanı analiz ettiğini doğrulamak için Sonraki Ara'ya birkaç kez tıklayın. Yazılım düzgün çalışıyorsa, Ara'ya tıklayın ve yazılımın videoyu analiz etmeyi bitirmesini bekleyin. Yazılım, önceki kareden geçerli kareye eşleşen bir görüntü yoğunluğunu otomatik olarak bulamazsa, yazılım durur ve kullanıcının arama alanını yeniden tanımlamasını bekler.
NOT: Tekrarlanabilirlik ve farklı deney sonuçlarını karşılaştırma yeteneği için, her numune için akışkan akış cephesinin en hızlı veya en yavaş noktasını (ıslak ve kuru toz arasındaki kontrast bölgesi) seçin. - İzleyici ekranının sağ tarafındaki canlı çizilmiş verilerde bir analiz hatası gözlenirse, hatalı veri noktasından önceki adımda Veri Noktasına bir kez tıklayın. Ana ekranda, ilgilenilen bölgeyi aramak için kırmızı dikdörtgen arama alanı konumunu değiştirin ve adım 6.8.1'i yineleyin.
NOT: Bir hata varsa, yanlış veri noktasına sağ tıklayın ve daha fazla analiz için noktanın seçimini kaldırın.
- Yazılımın doğru alanı analiz ettiğini doğrulamak için Sonraki Ara'ya birkaç kez tıklayın. Yazılım düzgün çalışıyorsa, Ara'ya tıklayın ve yazılımın videoyu analiz etmeyi bitirmesini bekleyin. Yazılım, önceki kareden geçerli kareye eşleşen bir görüntü yoğunluğunu otomatik olarak bulamazsa, yazılım durur ve kullanıcının arama alanını yeniden tanımlamasını bekler.
- Analiz tamamlandıktan sonra, sonuçları kopyalayıp bir e-tabloya yapıştırın. E-tabloya kaydedilen sonuçlar mesafe ve zaman verilerini içerir.
- Elektronik tablodaki kopyalanan verileri, zamanın bir fonksiyonu olarak toz yatağından sıvı taşıma mesafesi olarak çizin.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Veri analizi bölümünde, Şekil 3'teki hızlandırılmış görüntülere ilişkin veriler, polikarbonat (PC) tozuna sızan ağırlıkça% 75 etanol çözeltisini göstermektedir. Bu yayının görüntü kalitesini artırmak için çözeltiye floresein eklendi. Hızlandırılmış görüntülerde, zaman çözümlü işlem, sıvı girişe eklendiğinde başlar. Zaman, t, sıvı kanala nüfuz etmeye başlar başlamaz başlar. Görüntü serisi, sıvı ve floreseinin ilerlemesini göstermektedir. PC'de, sıvı ve floresein aynı akış hızında taşınır. Şekil 4'teki çizim üzerindeki açık kırmızı daireler, Tablo 1'de bulunan derlenmiş bilgilerin tam zamanını ve mesafesini temsil eder. Sıvının toz yatağına sızması, artımlı zaman adımlarıyla (kırmızı daireler) birlikte Şekil 3'te görsel olarak gösterilmiştir.
1 s ila 2 s arasındaki aralıkta, sıvı tarafından kat edilen mesafe iki katına çıkmıştır. 2 s ila 5 s arasındaki aralıkta, sıvının kat ettiği mesafe de iki katına çıkar. 5 saniyeden 10 saniyeye kadar, sıvı hala hızlı bir şekilde hareket ediyor. Bununla birlikte, 15 sn'den sonra, akış hızı her 5 saniyede bir yaklaşık 2 mm'lik bir hıza yavaşlamaktadır. Tek bir toz ve sıvı kombinasyonu için, tek bir grupta beş test gerçekleştirilir. Toplam test sayısı her grup için farklılık gösterebilir. Örneğin, beş deneyden biri başarısız olursa, başarısız test yerine yeni bir paketlenmiş mikro kanal analiz edilecektir. Arıza, toz yatağına nüfuz etmeyen veya tutarsız toz paketlemesinden kaynaklanan kanalda oluşan kabarcıklar nedeniyle toz yatağına sadece kısmen nüfuz eden bir sıvı olarak tanımlanır. Bir gruptaki bir dizi test arasındaki standart sapmayı gözlemlemek için Donovan 21'e, özellikle Şekil 19 ve Şekil 21'e bakınız.
Şekil 1: Polimerik toz, ele alınmadığı takdirde başarısız bir deneyle sonuçlanabilecek bir mikroakışkan akış hücresine gevşek bir şekilde paketlenmiştir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Resim 2: Deney düzeneğinin karikatür gösterimi. Bu görüntü ölçeğe göre çizilmemiştir. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 3: Tek bir deneyden temsili bir hızlandırılmış görüntü serisi. Soldan sağa görüntüler, paketlenmiş gözenekli yataktan çözücü akışını (görselleştirme için floresan boya ile güçlendirilmiş) örneklemektedir. Önde gelen cephenin tek tip olmadığını unutmayın, bu nedenle yayılan cephenin ortalama mesafesi tipik olarak kullanılır. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
Şekil 4: Sıvı paketlenmiş toz yatağına nüfuz ederken ortalama yayılma mesafesinin (Δl) zamana (t) karşı kantitatif gösterimi. Kırmızı daireler, Şekil 3'te görülen her zaman artışı için veri noktalarını temsil eder. Bu şeklin daha büyük bir versiyonunu görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.
| Zaman (lar) | Mesafe (mm) |
| 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 |
Tablo 1: Şekil 4'te gösterilen kırmızı noktalar için mesafe ve zaman değerleri.
Ek Şekil 1: Opak 3D yazıcı kapağının siyah polilaktik asit (PLA) filamentinde CAD çizimi. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Ek Dosya: İzleme yazılımını kullanarak veri analizinde yer alan adımların ekran görüntüleri. Bu Dosyayı indirmek için lütfen tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Sağlanan protokol, seçilen parçacıkların malzeme özelliklerine büyük ölçüde bağlıdır. Akışı etkileyen malzeme özellikleri arasında partikül boyutu dağılımı 2,3,4,5,11,21, parçacık yüzeyi pürüzlülüğü 11, parçacık yüzeyindeki kimyasal özellikler 2,3,4,5,11,16,21,23, 24,25, moleküler dipol momentleri, parçacık şekli 11 ve parçacık-parçacık etkileşimleri 2,3,4,5,11,16,23,24,25,26,27 . Bu özellikler, tozun mikroakışkan kanaldaki ambalaj yoğunluğunu ve sonuç olarak, sıvının 2,3,4,5,7,8,14,15 parçacıklarını ıslatırken kılcal akış davranışını doğrudan etkiler.
Toz paketleme yoğunluğu bu teknikte çok önemli bir rol oynar. Toz yeterince yoğun bir şekilde paketlenmemişse, hava kabarcığı oluşumu veya görüntüleme sırasında tozun ayrılması meydana gelebilir ve tekrarlanabilir bir numune önlenebilir. Bu nedenle, tozu paketlerken mikroakışkan kanala dokunmak (adım 2.1.1) çok önemli bir adımdır. Şekil 1 , sıvı tüm kanala sızdıktan sonra tutarsız paketlenmiş toza sahip bir mikroakışkan akış hücresini temsil etmektedir. Tozların ayrışması, kanalın girişine doğru görülebilir. Hücre paketlendikten sonra, deneyi çalıştırmadan önce, ışık kutusundaki toz paketleme yoğunluğunu kontrol etmek, bu tür başarısız deneylerden kaçınmanın yararlı bir yoludur. Bu protokolde sunulan tozlar, muslukların20'sinin bir fonksiyonu olarak toplu paketleme yoğunluğunu raporlamak için standartlaştırılmış bir musluk yoğunluğu testi, özellikle ASTM D7481-18 kullanılarak analiz edilmiştir. Önerilen protokolün tamamlanması için ASTM D7481-18'in yürütülmesine gerek yoktur, ancak ASTM toz hakkında ek bilgi sağlayacaktır.
Ölçülebilir bir özellik olan partikül boyutu dağılımı, dökme ambalaj yoğunluğu 23,24,25'i doğrudan etkiler. Bir paketleme sisteminde, daha büyük parçacıklar büyük bir boşluk alanı yaratacak ve küçük parçacıkların yerleşmesi için bir konum sağlayacaktır. Büyük-küçük parçacıkların oranını ölçmek, sıvının toza nüfuz etmesi için boşluk alanının hacmi hakkında fikir verir. Bir deney için mikroakışkan akış hücresini paketlerken, tüm küçük parçacıklar daha büyük parçacıklar tarafından yapılan boşluk alanını dolduracaktır. Mevcut boşluk alanlarının en aza indirilmesi, sıvı taşınmasını etkileyecek ve moleküler ve parçacık tutmanın gerçekleşmesi için daha fazla alan sağlayacaktır. Daha fazla teknik iyileştirme için, benzer büyüklükteki parçacıkların (örneğin, 60 μm ila 65 μm arasındaki parçacıklar), bu tekniğin ortalama parçacık boyutu sadece birkaç mikron farka sahip parçacıklar arasında ayrım yapma hassasiyetine sahip olup olmadığını belirlemek için daha fazla araştırılması gerekir.
Kütle yoğunluğu, tozun içsel bir özelliği değildir, çünkü malzemenin nasıl işlendiğine çok bağlıdır26. Tozun şirket içinde mi yoksa uçak, tren veya araba ile mi taşındığı, dökme ambalaj yoğunluğunun değerini büyük ölçüde etkileyerek partikül boyutu dağılımını etkileyebilir. Toz numunelerinin bir kabın üstünden ve altından seçilip seçilmediği de sonuçları etkileyebilir. Bir kutu mısır gevreği açtığınızı hayal edin; üstteki malzeme tüm büyük parçalardan oluşur ve kutunun altındaki malzeme tüm küçük parçalardan oluşur. Aynı şekilde, seyahatten kaynaklanan stres (titreşimler) yaşayan bir toz, kap boyunca parçacık büyüklüğünde bir gradyana sahip olacaktır.
Polimerik tozlar için, akış hücrelerinin iç yüzeylerinin hidrofobik bir işlem gördüğünü doğrulamak integraldir. Mikroakışkan akış hücresinin duvarları tedavi edilmemişse, sıvı taşınmasını görüntülerken duvar etkileri sıklıkla ortaya çıkar. Duvar etkileri, sıvı duvar boyunca ilgili tozdan akan dökme sıvıdan çok daha hızlı ve daha uzağa gittiğinde gözlenir. Duvar hidrofobik değilse, forma karşı en az dirençli bir yola izin verir ve sıvı, tozdan değil, bu yol boyunca (duvar) akar. Bu nedenle, hidrofobik hücrelerin kullanılması, sulu sistemlerin gözenekli bir ortamdan akışının daha temsili bir şekilde incelenmesine izin verirken, organik sistemler için hidrofilik hücreler kullanılmalıdır.
Bazı polimerik tozlar için, toz parçacıkları ile plastik pipetin ucu arasında meydana gelen 26,27 triboşarj etkisi mevcut olabilir. Sonuç olarak, pipeti toz parçacıklarıyla yüklerken toz, pipet ucunun dışına yapışabilir. Toz yapışması, tozun veya parçacık ambalajının aktarılmasında herhangi bir soruna neden olmamıştır. Bununla birlikte, parçacık yapışması bir sorun haline gelirse, pipete yapışan parçacıkların oluşumunu azaltabilecek birkaç değişiklik denenebilir. Bir seçenek, pipetin dış ucunu suyla nemlendirmek ve statik elektriği bozmak için ucu kurutmaktır. Diğer bir seçenek ise plastik yerine cam pipet kullanmaktır. Üçüncü bir seçenek, toz parçacıklarını daha nemli bir ortamda aktarmaktır.
Bu teknik, bir 3D parçacık yatağı içindeki sıvı giriş uzunluğunun tek boyutlu (1D) ölçümü için tutumlu bir yöntemdir. Bu nedenle, teknik yalnızca ilgi yönündeki tercihli akış yolunu açıklayabilecektir.
Mevcut protokol, gözenekli bir ortam aracılığıyla akışkan taşımayı, tutumlu bir kurulum kullanmayı ve optik bir mikroskobun komplikasyonlarını ve masraflarını ortadan kaldırmayı tartışmaktadır. Ek olarak, floresan ve fotolüminesan türleri heyecanlandırmak için UV transilluminating bir masa ile, teknik moleküler ve nanopartikül kaderini ve taşınmasını görüntülemek için de kullanılabilir. Bu kurulum için, çözücü protokolünün moleküler ve nanopartikül sistemleri için değiştirilmesi gerekecektir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Yazarların açıklayacak hiçbir şeyleri yoktur.
Acknowledgments
Hiç kimse.
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).
