Ультразвук очищает при помощи пульсирующих пузырьков
 Удивительно, но при тестировании особенностей взаимодействия пузырей газа в ультразвуковой ванне с загрязнениями поверхности, вся "грязь" собралась в кольце диаметром около 60 микрон, где силы притяжения и отталкивания скомпенсированы. (кликните картинку для увеличения) |
|
||||||||
Даже один «лишний» дефект на полупроводниковом чипе может сделать его бесполезным для дальнейшего использования. Подобные загрязнения молекулярного масштаба могут удаляться с поверхностей химическим путем, а более крупная «грязь» обычно требует определенного механического воздействия. С последним вариантом загрязнений справляется так называемая ультразвуковая «ванна».
Ранее ученые уже предполагали, что чистящие свойства ультразвука в такой «ванне» связаны с пузырями газа в жидкости, которые расширяются и сжимаются под воздействием изменения давления с ультразвуковой частотой (до миллионов раз в секунду). Но до сих пор экспериментальное наблюдение воздействия пузырей из-за столь быстрого движения жидкости было затруднено.
Для продвижения в этой области группа исследователей из Nanyang Technological University (Сингапур) адаптировала под параметры эксперимента методику формирования пузырей в нужной точке пространства. Для этого они фокусировали лазерный луч на предметном стекле микроскопа через объем сильно поглощающего излучение красителя. Нагрев, спровоцированный лазерным излучением, вызывает испарение нижнего слоя жидкости, сопровождающееся взрывом и образованием полусферического пузыря на поверхности стекла радиусом около десятка микрон. После этого в течение примерно 25 миллисекунд пузырь исчезал. Для имитации частиц грязи на поверхности команда использовала пластиковые шарики диаметром несколько микрон. Движение этих шариков, вызванное взаимодействием с появляющимися и исчезающими пузырями, записывалось на видеокамеру. В некоторых экспериментах одна сторона каждого шарика покрывалась золотом, так что камера могла записать их вращение, скорость которого, как показали расчеты, достигала 150 тысяч оборотов в секунду.
Столь высокая скорость вращения предполагает большой крутящий момент, возникающий из-за того, что часть шарика находятся в стационарной жидкости, а другая – в тонком слое жидкости, быстро движущейся вслед за расширяющимся или исчезающим пузырем. По мнению ученых, именно вращение шариков показывает, что этот тонкий «пограничный» слой имеет в чистящих свойствах ультразвуковой «ванны» определяющее значение.
Если шарики находятся в непосредственной близости от возникающего пузыря, то при его расширении они просто выталкиваются с поверхности; впоследствии инерция мешает им вернуться на место, когда пузырь исчезает. Что интересно, более отдаленные частицы постепенно с каждым циклом жизни пузыря подтягиваются ближе. В результате продолжительного действия импульсов, частицы собирались в кольцо диаметром 60 микрон вокруг пузыря (в области, где притяжение и отталкивание скомпенсированы).
Свою работу ученые опубликовали в журнале Physical Review Letters.
Также по теме:
Источники: