Sviluppo di un laboratorio

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 6421 (2023) Citare questo articolo

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I liquidi criogenici come l'azoto liquido sono rilevanti per numerosi processi nell'ingegneria, nell'industria alimentare e farmaceutica. Tuttavia, a causa della sua forte evaporazione in condizioni ambientali, la sua manipolazione per scopi di laboratorio e di sperimentazione è finora complicata. Nel presente lavoro viene sviluppato e caratterizzato in dettaglio un approccio progettuale originale per un dispositivo di erogazione di azoto liquido. Con il dispositivo l'azoto liquido puro viene fornito da un pallone dewar pressurizzato ad un ago ipodermico senza contaminazione del liquido con i propri vapori o brina, consentendo infine di generare un getto liquido libero o singole goccioline in un modo paragonabile alla manipolazione di non- liquidi criogenici utilizzando una siringa e un ago ipodermico. Rispetto ai precedenti approcci per la generazione di goccioline di azoto liquido negli studi scientifici che si basavano principalmente su un serbatoio di azoto liquido da cui si formano goccioline in corrispondenza di un'uscita inferiore a causa della gravità, il presente design consente la generazione di goccioline e getti liquidi liberi in un modo significativamente migliore modo controllato e più flessibile. Il dispositivo è caratterizzato sperimentalmente per condizioni operative variabili durante la generazione di un getto liquido libero e la sua versatilità per scopi di ricerca di laboratorio viene ulteriormente brevemente dimostrata.

A causa della sua importanza per vari processi naturali e ingegneristici, la dinamica delle goccioline e più specificamente il loro impatto sono stati ampiamente studiati sperimentalmente per quasi un secolo e mezzo1,2. Per la generazione delle goccioline possono essere sufficienti anche una siringa e un ago ipodermico collegato per posizionare una gocciolina ovunque sia richiesta; la gocciolina si staccherà semplicemente dall'ago a causa della gravità. La dimensione delle goccioline dipende dalla dimensione dell'ago e teoricamente scala linearmente con il diametro dell'ago. Se l’ago si trova nella posizione giusta al momento del distacco, questo semplice approccio potrebbe essere sufficiente per eseguire esperimenti sull’impatto delle goccioline. Tuttavia, per scopi più sofisticati, ad esempio per ottenere una frequenza di generazione o una dimensione delle gocce controllata, o quando si maneggiano liquidi non newtoniani, negli ultimi decenni sono stati riportati in letteratura numerosi approcci di progettazione per i generatori di gocce3,4,5,6,7 ,8. Questi sono progettati per soddisfare uno scopo specifico in una determinata applicazione industriale o vengono utilizzati in un ambiente di laboratorio per studiare i fondamenti coinvolti nell'interazione di una goccia con il suo ambiente. Tuttavia, tutto quanto menzionato prima si riferisce esclusivamente ai liquidi non criogenici. Sebbene una siringa e un ago siano sostanzialmente sufficienti per la generazione di goccioline, sono stati compiuti notevoli sforzi nella progettazione di generatori di goccioline che soddisfino i requisiti specifici derivanti da una determinata applicazione.

Sulla base di quanto precede non sono necessari ulteriori chiarimenti per giustificare eventuali sforzi investiti nello sviluppo di un sistema che consenta effettivamente la generazione di goccioline da un liquido criogenico come l'azoto liquido. I liquidi criogenici, cioè liquidi con temperature di ebollizione inferiori a −150\(\,^\circ \)C a pressione ambiente, vengono utilizzati in vari campi come l'ingegneria, l'industria alimentare e farmaceutica. Poiché i liquidi criogenici bollono permanentemente quando vengono maneggiati in condizioni ambientali, mostrano un comportamento piuttosto unico. In particolare l'interazione di un liquido criogenico con altri liquidi o solidi a temperature più elevate è associata a vari processi fisici che interagiscono parzialmente tra loro e potenzialmente controllano il processo tecnico in cui sono coinvolti. Mentre il loro crescente sfruttamento per applicazioni tecniche e mediche fondamentalmente motiva la ricerca in corso con liquidi criogenici, l'evaporazione continua in condizioni ambientali complica enormemente la loro gestione per la sperimentazione. In particolare impedisce l'uso di approcci classici per la generazione di goccioline che sono ben consolidati per i liquidi non criogenici. Sebbene esistano soluzioni commerciali, finora in letteratura è riportato solo poco sulla generazione di goccioline da liquidi criogenici. Tuttavia, specificamente per l'azoto liquido utilizzato negli studi scientifici, finora le goccioline sono state generate principalmente lasciando gocciolare il liquido da un serbatoio stazionario e isolato per l'azoto liquido9,10,11,12, il che è associato a una versatilità significativamente ridotta dell'azoto liquido approccio a causa della sua limitata flessibilità e controllabilità del liquido.