Pesquisadores imprimem em 3D uma bomba de vácuo em miniatura

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Os espectrômetros de massa são analisadores químicos extremamente precisos que têm muitas aplicações, desde a avaliação da segurança da água potável até a detecção de toxinas no sangue de um paciente. Mas construir um espectrômetro de massa portátil e barato que possa ser implantado em locais remotos continua sendo um desafio, em parte devido à dificuldade de miniaturizar a bomba de vácuo necessária para operar a baixo custo.

Os pesquisadores do MIT utilizaram a manufatura aditiva para dar um passo importante na solução desse problema. Eles imprimiram em 3D uma versão em miniatura de um tipo de bomba de vácuo, conhecida como bomba peristáltica, que tem aproximadamente o tamanho de um punho humano.

Sua bomba pode criar e manter um vácuo com pressão uma ordem de magnitude menor do que a chamada bomba seca e áspera, que não requer líquido para criar vácuo e pode operar à pressão atmosférica. O design exclusivo dos pesquisadores, que pode ser impresso em uma passagem em uma impressora 3D multimaterial, evita o vazamento de fluido ou gás, ao mesmo tempo que minimiza o calor do atrito durante o processo de bombeamento. Isto aumenta a vida útil do dispositivo.

Esta bomba poderia ser incorporada a um espectrômetro de massa portátil usado para monitorar a contaminação do solo em partes isoladas do mundo, por exemplo. O dispositivo também poderia ser ideal para uso em equipamentos de pesquisa geológica com destino a Marte, já que seria mais barato lançar a bomba leve ao espaço.

“Estamos falando de hardware muito barato e também muito capaz”, diz Luis Fernando Velásquez-García, principal cientista do Microsystems Technology Laboratories (MTL) do MIT e autor sênior de um artigo que descreve a nova bomba. “Com os espectrômetros de massa, o gorila de 500 libras na sala sempre foi o problema das bombas. O que mostramos aqui é inovador, mas só é possível porque é impresso em 3D. Se quiséssemos fazer isso da maneira padrão, não estaríamos nem perto

Velásquez-García é acompanhado no artigo pelo autor principal Han-Joo Lee, ex-pós-doutorado do MIT; e Jorge Cañada Pérez-Sala, estudante de graduação em engenharia elétrica e ciência da computação. O artigo aparece hoje na Manufatura Aditiva.

Problemas de bomba

À medida que uma amostra é bombeada através de um espectrômetro de massa, seus elétrons são despojados para transformar seus átomos em íons. Um campo eletromagnético manipula esses íons no vácuo para que suas massas possam ser determinadas. Esta informação pode ser usada para identificar com precisão os constituintes da amostra. Manter o vácuo é fundamental porque, se os íons colidirem com moléculas de gás do ar, sua dinâmica mudará, reduzindo a especificidade do processo analítico e aumentando seus falsos positivos.

As bombas peristálticas são comumente usadas para mover líquidos ou gases que contaminariam os componentes da bomba, como produtos químicos reativos. Eles também são usados ​​para bombear fluidos que precisam ser mantidos limpos, como o sangue. A substância bombeada está inteiramente contida em um tubo flexível enrolado em torno de um conjunto de rolos. Os rolos comprimem o tubo contra o seu alojamento enquanto giram. As partes comprimidas do tubo se expandem na esteira dos rolos, criando um vácuo que puxa o líquido ou gás através do tubo.

Embora essas bombas criem vácuo, problemas de projeto limitaram seu uso em espectrômetros de massa. O material do tubo é redistribuído quando a força é aplicada pelos rolos, causando lacunas que causam vazamentos. Este problema pode ser superado operando a bomba rapidamente, forçando a passagem do fluido mais rápido do que ele pode vazar. Mas isto causa calor excessivo que danifica a bomba e as lacunas permanecem. Para selar totalmente o tubo e criar o vácuo necessário para um espectrômetro de massa, o mecanismo deve exercer força adicional para comprimir as áreas salientes, causando mais danos, explica Velásquez-García.