Explosie op chip zet vloeistof in beweging
Promovendus Dennis van den Broek van de Universiteit Twente heeft een
nieuw type miniatuurmotor ontwikkeld, de microbellenactuator. Deze
`motor', die bijvoorbeeld toegepast kan worden bij laboratoria ter
grootte van een chip, zet de energie die vrijkomt bij explosieve
verdamping om in beweging. Van den Broek promoveert op 31 oktober aan
de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica.
Een (micro)actuator is een apparaat dat energie, zoals magnetische of
warmte-energie, omzet in een beweging. Er bestaan veel verschillende
typen microactuatoren, elk met zijn eigen voor- en nadelen. Vaak zijn
actuatoren snel of krachtig, maar hebben ze niet beide eigenschappen.
Van den Broek ontwierp echter een microactuator die zowel snel als
krachtig is. Hij maakte hierbij gebruik van warmte die de
microactuator omzet in een beweging.
De microactuator die Van den Broek ontwikkelde bestaat uit een met
vloeistof gevulde holte (bijvoorbeeld ethanol), met onderin een
verwarmer. De holte is afgesloten door een membraan, een dun vliesje
dat het systeem sluit. Actuatoren vind je onder andere terug in de
`lab-on-a-chip', een klein chemisch laboratorium ter grootte van een
chip. Om vloeistoffen door de kanaaltjes te pompen zijn ook pompjes en
kleppen van gelijke grootte nodig. De microactuator die Van den Broek
ontwikkelde, kan hier een sleutelrol in vervullen.
Microbellenactuator
Om de nieuwe actuator krachtig en snel te maken, gebruikte Van den
Broek een veelbelovende techniek die gebaseerd is op explosieve
verdamping. Explosieve verdamping vindt plaats wanneer een vloeistof
wordt blootgesteld aan een hoge temperatuur. In enkele microseconden
bereikt de vloeistof een temperatuur dicht bij het kritisch punt, ver
boven het kookpunt onder normale omstandigheden. Bij deze temperatuur
verdampt de vloeistof, dat kenmerkt zich door de vorming van een groot
aantal belletjes in de vloeistof, zoals water dat kookt. De ontstane
belletjes zullen zich bijna direct samenvoegen tot een damplaag. De
druk die daarbij ontstaat, wordt gebruikt om een membraan bol te laten
staan. Door de bolling van het membraan komt de bovenliggende
vloeistof of gas in beweging.
Versimpelde versie van de door Van den Broek ontwikkelde
microbellen-actuator. In het rechterplaatje is te zien dat door de
gevormde bel bij de verwarmer, het membraan bol gaat staan.
Versimpelde versie van de door Van den Broek ontwikkelde
microbellenactuator. In het rechterplaatje is te zien dat door de
gevormde bel bij de verwarmer, het membraan bol gaat staan.
Doordat het ontstaan van bellen plaats vindt in een klein volume, is
de actuator snel. Van den Broek stuurde minimaal elke 0,1 milliseconde
een warmtepuls door de verwarmer. Dit houdt in dat er 10.000 keer per
seconde een bel wordt gevormd en het membraan bol komt te staan.
Gecombineerd met de grote druk die gegenereerd kan worden door de
hitte, is de actuator ook krachtig.
Micro-pompen
De nieuwe actuator kan gebruikt worden als een pompje in een
micro-fluidisch systeem, waarvan de `lab-on-a-chip' een voorbeeld is.
De kanaaltjes, waar de vloeistof doorheen moet stromen wordt door de
bolling samengeknepen, waardoor de vloeistof snelheid krijgt. Door
genoeg van deze microactuatoren achter elkaar te plaatsen en ze in de
juiste volgorde te activeren, blijft de vloeistof stromen.
Universiteit Twente