البلازما الغبارية تفصل الكريات الدقيقة حسب الحجم
السياق
فصل الجسيمات حسب الحجم مهم في العديد من المجالات، لكن في السوائل العادية تتحرك الجسيمات ببطء بسبب الاحتكاك القوي. البلازما الغبارية، حيث تكون الكريات الدقيقة مشحونة ومرتبطة بشكل ضعيف بالغاز، تسمح للجسيمات بالتحرك بسرعة تصل إلى 1 سم/ثانية. بجانب هذا العمل في الأرشيف توجد دراسات حول عدم استقرار الحزمة في مسرعات البلازما والتركيز الذاتي للبلازما، لكن هذا العمل يتميز: فهو يستخدم آلية السقاطة لفصل الجسيمات، وليس لتسريعها أو تركيزها.
المنهجية
بنى الباحثون قناة حلقية بين حلقتين مسننتين في حجرة تحتوي على بلازما الأرجون. تم إطلاق كريات دقيقة من حجمين في القناة: نصف قطرها 8 و14 ميكرومترًا. شُحنت الجسيمات في البلازما وحلقت فوق القطب السفلي. تم تصوير حركتها بكاميرا علوية بمعدل 50 إطارًا في الثانية. ثم باستخدام المحاكاة العددية في COMSOL، تم حساب توزيع المجال الكهربائي والجهد في القناة لفهم الارتفاع الذي تطفو عنده الجسيمات وإمكانات السقاطة التي تتعرض لها.
النتائج
عند ضغط 25 باسكال وطاقة 20 واط، تحركت الجسيمات التي يبلغ نصف قطرها 8 ميكرومتر في الاتجاه الموجب، بينما تحركت جسيمات 14 ميكرومتر في الاتجاه السالب. عند طاقة 30 واط، تحركت المجموعتان في الاتجاه الموجب، لكن الجسيمات الصغيرة كانت سرعتها الزاوية 0.038 راديان/ثانية، بينما كانت الكبيرة 0.013 راديان/ثانية، أي بفارق ثلاثة أضعاف. عند طاقة 12 واط، تحركت المجموعتان في الاتجاه السالب، لكن بسرعات مختلفة. أظهرت المحاكاة أن الجسيمات ذات الأحجام المختلفة تطفو على ارتفاعات مختلفة وتخضع لإمكانات سقاطة ذات اتجاهات مختلفة أو ارتفاعات حواجز مختلفة.
الأهمية
يتميز هذا العمل عن الدراسات المجاورة بأنه يوضح لأول مرة فصل الجسيمات في البلازما الغبارية باستخدام إمكانات السقاطة. سابقًا، في البلازما الغبارية، تمت دراسة تقويم تدفق الجسيمات المتطابقة فقط، ولكن هنا يُظهر أنه يمكن التحكم في حركة الجسيمات ذات الأحجام المختلفة بشكل مستقل. وهذا يفتح الطريق أمام إنشاء أجهزة فرز جسيمات بلازما تعمل بشكل أسرع من نظيراتها السائلة.
التطور المستقبلي
يمكن توسيع الطريقة لتشمل أحجامًا أخرى من الجسيمات وغازات أخرى. لقد اختبر المؤلفون بالفعل الفصل في بلازما الهواء وطوّروا تصميمًا مستقيمًا بمخرجين. في المستقبل، من الممكن إنشاء أجهزة للفرز المستمر للجسيمات الدقيقة على نطاق صناعي.
التأثير
يمكن تطبيق التكنولوجيا في الموائع الدقيقة والمستحضرات الصيدلانية وعلوم المواد لفرز الجسيمات الدقيقة.
الخطوات التالية
من الضروري دراسة تأثير ذيل الأيونات على كفاءة الفصل وتحسين التصميم لزيادة الإنتاجية.
المسائل المفتوحة الرئيسية
يبقى السؤال مفتوحًا حول كيفية تأثير التأثيرات الجماعية في البلازما الغبارية شديدة الارتباط على نقل الجسيمات عند الكثافة العالية. كما أنه من غير الواضح كيفية تجنب تأثير ذيل الأيونات عندما يكون الفرق في أحجام الجسيمات صغيرًا.
وصلت سرعة تدفق الجسيمات الغبارية في هذه التجربة إلى 1 سم/ثانية، وهو ما يعادل سرعة الحلزون.
فكرة فصل الجسيمات باستخدام جهد غير متماثل تذكرنا بشيطان ماكسويل الذي يفرز الجزيئات حسب السرعات، لكن هنا كل شيء يعمل دون انتهاك القانون الثاني للديناميكا الحرارية.
أرقام رئيسية
- أنصاف أقطار الجسيمات: 8 و14 ميكرومترًا
- سرعة التدفق: حتى 1 سم/ثانية
- السرعة الزاوية للجسيمات الصغيرة: 0.038 راديان/ثانية
- السرعة الزاوية للجسيمات الكبيرة: 0.013 راديان/ثانية
- ضغط الغاز: 15-40 باسكال
- طاقة التفريغ: 12-30 واط