Aceste țevi imprimate 3D inspirate de intestinele de rechin depășesc supapele Tesla

Oamenii de știință de la Universitatea din Washington au recreat formele distinctive de spirală ale intestinelor de rechin în țevi imprimate 3D pentru a studia fluxul unic de fluid din interiorul spiralelor. Prototipurile lor au menținut fluidele să curgă într-o direcție preferată, fără a fi nevoie de clapete pentru a controla acel flux și au funcționat semnificativ mai bine decât așa-numitele „supape Tesla”, în special atunci când sunt fabricate din polimeri moi, conform unui hârtie nouă publicat în Proceedings of the National Academy of Sciences.

Așa cum am făcut-o noi raportate anteriorîn 1920, inventator de origine sârbă Nikola Tesla a proiectat și patentat ceea ce el a numit „conductă valvulară„: o țeavă al cărei design intern asigură că fluidul va curge într-o direcție preferată, fără a fi nevoie de piese în mișcare, ceea ce o face ideală pentru aplicații de microfluidă, printre alte utilizări. Cheia designului ingenios al supapelor Tesla este un set de interconectate, asimetrice, bucle în formă de lacrimă.

În cererea lui de brevetTesla a descris această serie de 11 segmente de control al debitului ca fiind făcute din „măriri, recesiuni, proiecții, deflectoare sau găleți care, deși nu oferă practic nicio rezistență la trecerea fluidului într-o direcție, alta decât frecarea suprafeței, constituie aproape barieră de netrecut în calea curgerii sale în direcția opusă”. Și pentru că reușește acest lucru fără piese în mișcare, o supapă Tesla este mult mai rezistentă la uzura operării frecvente.

Tesla a susținut că apa va curge prin supapa lui de 200 de ori mai încet într-o direcție decât în ​​alta, ceea ce poate fi o exagerare. O echipă de oameni de știință de la Universitatea din New York a construit o supapă Tesla funcțională în 2021în conformitate cu proiectul inventatorului, și a testat această revendicare prin măsurarea debitului de apă prin supapă în ambele direcții la diferite presiuni. Oamenii de știință au descoperit că apa curge doar de două ori mai lent în direcția nepreferată.

Debitul s-a dovedit a fi un factor critic. Supapa a oferit foarte puțină rezistență la debite lente, dar odată ce debitul a crescut peste un anumit prag, rezistența supapei avea să crească și ea, generând fluxuri turbulente în sens invers, „astupând” astfel conducta cu vârtejuri și curenți perturbatori. Deci, de fapt funcționează mai mult ca un comutator și poate ajuta, de asemenea, la netezirea fluxurilor de impulsuri, asemănător cu modul în care convertoarele AC/DC transformă curenții alternativi în curenți continui. Este posibil ca aceasta să fi fost chiar intenția inițială a Tesla în proiectarea supapei, având în vedere că cea mai mare pretenție la faimă este inventarea atât a motorului AC, cât și a unui convertor AC/DC.

Ajută să fii rechin

Supapa Tesla oferă, de asemenea, un model util pentru modul în care alimentele se mișcă prin sistemul digestiv al multor specii de rechini. În 2020, cercetătorii japonezi micrografii reconstruite ale secțiunilor histologice de la o specie de rechin de pisică într-un model tridimensional, oferind o privire tentantă asupra anatomiei unui intestin spiralat de tip pergament. În anul următor, oamenii de știință au efectuat scanări CT ale intestinelor de rechin și a încheiat că intestinele apar în mod natural Supape Tesla.

Aici intervine munca postdocului UW Ido Levin și a co-autorilor săi. Au avut întrebări despre cercetarea din 2021 în special. „Asimetria fluxului într-o țeavă fără clapete în mișcare are un potențial tehnologic extraordinar, dar mecanismul a fost derutant.” spuse Levin. „Nu era clar care părți ale structurii intestinale a rechinului au contribuit la asimetrie și care au servit doar la creșterea suprafeței pentru absorbția nutrienților.”

Levin şi colab. A imprimat 3D mai multe țevi cu o structură elicoidală internă care o imită pe cea a intestinelor de rechin, variind anumiți parametri geometrici precum numărul de spire sau unghiul de pas al helixului. Desigur, era o structură idealizată, așa că echipa a fost încântată când primul lot, realizat din materiale rigide, a produs asimetria de curgere așteptată. După o reglare mai fină a parametrilor, țevile imprimate rigide au produs asimetrii de flux care se potriveau sau depășeau supapele Tesla.

Dar cercetătorii nu terminaseră încă. „[Prior work] a arătat că dacă conectați aceste intestine în aceeași direcție ca un tract digestiv, obțineți un flux mai rapid de lichid decât dacă le conectați invers. Am crezut că acest lucru a fost foarte interesant din perspectiva fizicii”, spuse Levin anul trecut în timp ce prezentau rezultate preliminare la A 67-a reuniune anuală a Societății de Biofizică. „Una dintre teoremele din fizică afirmă de fapt că, dacă iei o țeavă și curgeți fluidul foarte lent prin ea, aveți același debit dacă îl inversați. Așa că am fost foarte surprinși să vedem experimente care contrazic teoria. Dar apoi îți amintești că intestinele nu sunt făcute din oțel – sunt făcute din ceva moale, așa că în timp ce fluidul curge prin țeavă, acesta o deformează.”

Asta a dat Levin et al. ideea de a încerca să-și facă țevile din polimeri moi deformabili – cei mai moi disponibili comercial care ar putea fi folosiți și pentru imprimarea 3D. Acel lot de țevi a funcționat de șapte ori mai bine la asimetria debitului decât orice măsurători anterioare ale supapelor Tesla. Și, deoarece intestinele reale de rechin sunt de aproximativ 100 de ori mai moi decât polimerii pe care i-au folosit, echipa crede că pot obține performanțe și mai bune, poate cu hidrogeluri atunci când devin mai disponibile pe scară largă, pe măsură ce imprimarea 3D continuă să evolueze. Cea mai mare provocare, conform autorilor, este găsirea de materiale moi care să reziste la deformații mari.

În cele din urmă, deoarece conductele sunt tridimensionale, ele pot găzdui volume mai mari de fluid, deschizând aplicații în dispozitive comerciale mai mari. „Chimiștii erau deja motivați să dezvolte polimeri care sunt simultan moi, puternici și imprimabili.” a spus coautorul Alshakim Nelsona cărui expertiză constă în dezvoltarea de noi tipuri de polimeri. „Utilizarea potențială a acestor polimeri pentru a controla fluxul în aplicații, de la inginerie la medicină, întărește această motivație.”

PNAS, 2024. DOI: 10.1073/pnas.2406481121 (Despre DOI).