La plasma de polvo separa microesferas por tamaño
Contexto
La separación de partículas por tamaño es importante en muchos campos, pero en líquidos comunes las partículas se mueven lentamente debido a la fuerte fricción. En la plasma de polvo, donde las microesferas están cargadas y débilmente acopladas al gas, las partículas pueden moverse rápido, hasta 1 cm/s. Cerca de este trabajo en el archivo hay estudios sobre inestabilidades de haz en aceleradores de plasma y sobre autofocalización del plasma, pero este trabajo se destaca: utiliza un mecanismo de trinquete para separar partículas, no para acelerarlas o enfocarlas.
Métodos
Los investigadores construyeron un canal anular entre dos anillos dentados en una cámara con plasma de argón. En el canal se introdujeron microesferas de dos tamaños: radio de 8 y 14 μm. Las partículas se cargaron en el plasma y quedaron suspendidas sobre el electrodo inferior. Su movimiento se registró con una cámara desde arriba a 50 fotogramas por segundo. Luego, mediante simulación numérica en COMSOL, se calculó la distribución del campo eléctrico y del potencial en el canal para entender a qué altura se suspenden las partículas y qué potencial de trinquete experimentan.
Resultados
A una presión de 25 Pa y una potencia de 20 W, las partículas de 8 μm de radio se movieron en dirección positiva, mientras que las de 14 μm lo hicieron en dirección negativa. A 30 W, ambos grupos se movieron en dirección positiva, pero las partículas pequeñas tenían una velocidad angular de 0.038 rad/s y las grandes de 0.013 rad/s, es decir, una diferencia de tres veces. A 12 W, ambos grupos se movieron en dirección negativa, pero con velocidades diferentes. La simulación mostró que las partículas de distinto tamaño se suspenden a diferentes alturas y experimentan potenciales de trinquete con distinta orientación o altura de barrera.
Implicaciones
Este trabajo se diferencia de los estudios vecinos porque demuestra por primera vez la separación de partículas en plasma de polvo mediante un potencial de trinquete. Anteriormente, en plasma de polvo solo se había estudiado la rectificación del flujo de partículas idénticas; aquí se muestra que se puede controlar el movimiento de partículas de diferentes tamaños de manera independiente. Esto abre el camino hacia clasificadores de partículas en plasma que funcionan más rápido que sus análogos líquidos.
Desarrollo futuro
El método puede extenderse a otros tamaños de partículas y otros gases. Los autores ya probaron la separación en plasma de aire y desarrollaron un diseño lineal con dos salidas. En el futuro, es posible crear dispositivos para la clasificación continua de micropartículas a escala industrial.
Impacto
La tecnología podría aplicarse en microfluídica, farmacéutica y ciencia de materiales para clasificar micropartículas.
Próximos pasos
Es necesario investigar el efecto de la estela iónica en la eficiencia de separación y optimizar el diseño para aumentar la capacidad de procesamiento.
Problemas abiertos clave
Queda abierta la cuestión de cómo los efectos colectivos en la plasma de polvo fuertemente acoplada afectan el transporte de partículas a alta densidad. Tampoco está claro cómo evitar la influencia de la estela iónica cuando la diferencia de tamaño entre partículas es pequeña.
La velocidad del flujo de partículas de polvo en este experimento alcanzó 1 cm/s, comparable a la velocidad de un caracol.
La idea de separar partículas mediante un potencial asimétrico recuerda al demonio de Maxwell, que clasifica moléculas según su velocidad, pero aquí todo funciona sin violar la segunda ley de la termodinámica.
Cifras clave
- radios de las partículas: 8 y 14 μm
- velocidad del flujo: hasta 1 cm/s
- velocidad angular de las partículas pequeñas: 0.038 rad/s
- velocidad angular de las partículas grandes: 0.013 rad/s
- presión del gas: 15–40 Pa
- potencia de la descarga: 12–30 W