Kontrolirano generiranje mikromehurčkov in raziskave njihove fizike za uporabo v kemiji, biologiji in medicini

Znanstveno ozadje
Kavitacija je pojav pri katerem nastanejo parne vrzeli v sprva homogeni tekočini zaradi nenadnega padca tlaka okolice pod tlak uparjanja tekočine. Posledično se tekoči medij na enem ali več mestih “pretrga” in pojavijo se “praznine”, katerih oblika je močno odvisna od strukture toka. Parne strukture so nestabilne in ko dosežejo območje povišanega tlaka, pogosto močno skolapsirajo. Zaradi tega se morajo inženirji spopadati z nadlogami, kot so padec učinkovitosti turbinskih strojev, zmanjšana zmogljivost odvajanja vode na prelivih, pojav dodatnih sil na površini trdnih struktur, nastajanje hrupa, vibracij in erozija sten. Po drugi strani pa so študije tudi pokazale, da obstaja velika možnost uporabe kavitacije v različnih pomembnih aplikacijah na področjih biologije, kemije, medicine in varstva okolja. Čeprav se zavedamo nekaterih fizikalnih mehanizmov, za katere je znano, da spremljajo kavitacijo: močni strižni tokovi, curki, visoke lokalne temperature, udarni valovi, hiter padec tlaka, nadzvočni tok – izjemno malo je znano, kateri ali kombinacija katerih mehanizmov je pomembna za določeno posledico kavitacije. V najboljšem primeru avtorji navajajo, da je znano, da lahko temperature in tlaki pri kolapsu mehurčkov presežejo 15000K oziroma 1GPa. Kot navaja Prosperetti, je bilo na tisoče člankov posvečenih temi mehurčkov. Vendar natančen mehanizem, ki ga povzročajo mehurčki, še ni razjasnjen, predvsem zato, ker ni sinergij med različnimi znanstvenimi področji, ki se ukvarjajo s kavitacijo in njenimi učinki (fizika, biologija, inženirstvo, kemija).
PI predlaganega projekta je leta 2017 prejel ERC Consolidator Grant za delo, ki uporablja nekonvencionale sinergijski interdisciplinarni pristop za pionirsko raziskovanje osnovnih mehanizmov, ki potekajo me interakcijo med mehurčki in kontaminanti. Izziv, ki v okviru ERC projekta ni bil predviden, je preučevanje lasersko generiranih mikroskopskih
neomejenih in omejenih mehurčkov, kar bo okrepilo razumevanje dinamike mehurčkov na mikro skali in utrlo pot za optimizacijo različnih procesov na področju medicine (ciljna dostava zdravil), čiščenja vode (inaktivacija virusov in uničevanje bakterij) in kemije (razvoj novega materiala) v prihodnosti.

Identifikacija problema
Naše nedavne študije o dinamiki kavitacijskih mehurčkov v bližini različnih struktur, ki so uvedle več novih eksperimentalnih tehnik, so prinesle več podrobnosti k razumevanju interakcije med različnimi strukturami in mehurčki. Prvi smo hkrati opazovali kolaps mehurčkov ter elastični in plastični odziv materiala. Časovna ločljivost poskusa je bila manjša od 450 ns.
S študijo dinamike mehurčkov ob fazni meji med dvema različnima tekočinama je napredovalo razumevanje postopka emulzifikacije. Nedavno je naša prebojna študija interakcije posameznega mehurčka z membrano in različnima tekočinama na vsaki strani pokazala, da obstajajo pomembne razlike v obnašanju mehurčkov glede na lastnosti tekočine, medtem ko je vpliv lastnosti membrane manj izrazit. Zlasti slednja študija ima pomembne posledice, kot je optimizacija sonoporacije (ciljna dostava zdravil), kjer mehanizem s katerim se poveča prepustnost membrane še vedno ni dobro razumljen. Vzporedno s tem naše nedavne numerične študije na mikromehurčkih kažejo, da se dinamika mikromehurčkov bistveno razlikuje v primerjavi z mehurčki na milimetrskem merilu. To še ni bilo eksperimentalno potrjeno, saj natančni poskusi v nadzorovanem okolju v tako majhnem obsegu ne obstajajo. Sedanji projektni predlog namerava uporabiti nove tehnike za ustvarjanje in opazovanje mehurčkov, da bi presegli vrzel pri eksperimentalnem opazovanju mikroskopskih mehurčkov.

Cilji raziskave
Nedavne raziskave kažejo na dejstvo, da se dinamika mikroskopskih kavitacijskih mehurčkov bistveno razlikuje od dinamike na večjih merilih. Vendar eksperimentalne raziskave mikroskopskih mehurčkov v natančno nadzorovanem okolju še vedno presegajo trenutno stanje tehnike. Da bi rešili to težavo, bomo razvili novo napravo, ki omogoča ustvarjanje mikroskopskih kavitacijskih mehurčkov. Vzporedno se bo razvil bistveno izboljšan sistem opazovanja, ki bo povečal tako prostorsko kot časovno ločljivost obstoječih poskusov.
Glavni cilj projekta je razumeti in določiti temeljno fizikalno ozadje interakcije mikroskopskih kavitacijskih mehurčkov. Eksperimentalno delo bo dopolnjeno z numeričnimi simulacijami, ki bodo omogočile ekstrapolacijo rezultatov izven zmožnosti eksperimentov. Predlagani pristop temelji na predhodnih raziskavah PI v okviru dotacije ERC in uporablja nove eksperimentalne in numerične metodologije, od katerih so nekatere razvili PI, Co-PI in njihove raziskovalne skupine.

Glavni cilji predlaganega projekta so:
• Razvoj in optimizacija prve tovrstne naprave, ki bo omogočila raziskovanje dinamike mikroskopskih kavitacijskih mehurčkov. Povezano z nalogami v WP1.
• Raziskovanje dinamike mikroskopskih kavitacijskih mehurčkov v skoraj “neskončnem” okolju. Povezano z nalogami v WP2 in WP3.
• Raziskovanje dinamike mikroskopskih kavitacijskih mehurčkov v prisotnosti površinsko aktivnih snovi z jasnim ciljem globljega razumevanja fizike procesov sonoporacije (ciljna dostava zdravil) in emulzifikacije (izdelava nano emulzij). Povezano z nalogami v WP2 in WP3.
• Raziskovanje dinamike mikroskopskih kavitacijskih mehurčkov v močno anizotropnem okolju. Naše predhodne numerične študije takih mehurčkov kažejo na možnost, da se dinamika v majhnih merilih bistveno razlikuje od makroskopskih. To bomo raziskali z vizijo optimizacije a posteriori kapsulotomije (čiščenje površine očesnih leč). Povezano z nalogami v WP2 in WP3.

DS 1     Razvoj sistema za vzbujanje mehurčkov, zajem in osvetlitev slike

Naloga 1.1 Vzbujanje mikromehurčkov – Stopnja realizacije 100%

Naloga 1.2 Razvoj hitrega slikanja z visoko prostorsko ločljivostjo – Stopnja realizacije 100%

Naloga 1.3 Razvoj sistema za lasersko osvetlitev z zrnatostjo in brez – Stopnja realizacije 100%

Naloga 1.4 Nadgradnja ločljivosti pod 1 μm – Stopnja realizacije 100%

 

DS 2: Eksperimenti v fiziki in kemiji kavitacijskih mikromehurčkov

Naloga 2.1 Hitro slikanje na mikroskopskem merilu – Stopnja realizacije 100%

Naloga 2.2 Hitro rentgensko slikanje – Stopnja realizacije 100%

Naloga 2.3 Rekonstrukcija oblike trdnin v času in prostoru – Stopnja realizacije 100%

Naloga 2.4 Meritve temperaturnega polja z infrardečo termografijo – Stopnja realizacije 80%

Naloga 2.5 Sonoluminiscenca in kemija mehurčkov– Stopnja realizacije 100%

 

DS 3: Numerične simulacije

Naloga 3.1 Lagrangeove simulacije posameznih mehurčkov – Stopnja realizacije 100%

Naloga 3.2 Simulacije interakcije fluid-struktura – Stopnja realizacije 100%