Kavitasyon balonunu ses alanına koyun, ne bulacağız?
Zhang Yuning Malzeme Bölümü, Manchester Üniversitesi, İngiltere
Akustik kavitasyon, ses alanındaki boşlukların dinamiklerini ve ürettikleri fiziksel ve kimyasal olayları inceleyen bir konudur.
Bu konu ısı transferi, kütle transferi, doğrusal olmama ve kaos gibi zengin çağrışımlara sahiptir. Şekil 1, ses alanındaki tek bir boşluğun doğrusal olmayan salınımını göstermektedir. Bir boşluk salınım döngüsünde, boşluk, yarıçap başlangıçtaki yarıçapının birkaç katına çıkıncaya kadar kademeli olarak genişler ve ardından boşluk birkaç kez hızla çöker (yani, boşluk yarıçapı azalır). Belirli ses alanı parametreleri altında, kavitasyon kabarcıkları alışılmadık derecede şiddetli salınımlar üretebilir ve yüksek sıcaklık ve yüksek basınçlı ortamlar ve bunların içinde kimyasal reaksiyonlar oluşturabilir (Şekil 2) ve hatta ışık yayabilir (Şekil 3). Akustik kavitasyon etkisi şu anda birçok alanda kullanılmaktadır.
Şekil 1 Ses alanında küresel kavitasyonun doğrusal olmayan salınımının şematik diyagramı
Şekil 2 Tek bir boşluğun neden olduğu kimyasal reaksiyonun şematik diyagramı.
Şekildeki iz, ürünü kimyasal reaksiyondan sonra göstermektedir.
Şekil 3 Tek boşluklu sonolüminesans cihazı.
Ortadaki parlak nokta, ışıktaki tek bir boşluktur.
Cihazdaki boşluğun ışıltısı çok kararlıdır ve birkaç gün sürebilir.
1. Taş tedavisinde kavitasyon etkisi
Ekstrakorporeal şok dalgası litotripsi, yaygın olarak popüler bir invazif olmayan taş tedavi tekniğidir ve kavitasyon etkisi bu tedavi tekniğinde önemli bir rol oynar. Geleneksel dalgaların aksine, bir şok dalgası bir sıvının içinden geçtiğinde, şok dalgasının taşıdığı yüksek enerji nedeniyle sıvının içindeki basınç gibi fiziksel parametreler aniden yükselecek ve şok dalgasının her iki tarafındaki fiziksel miktarlarda büyük değişikliklere neden olacaktır. Şok dalgasının etkisi altında, kavitasyon balonu şiddetli bir şekilde salınacak ve bu süreçte orijinal şok dalgasıyla etkileşime girerek şok dalgasını da serbest bırakacaktır. Kavitasyon kabarcıkları, çökme sürecinde güçlü yıkıcı kuvvet (mikro jetler vb.) Üretir ve etraflarındaki nesneler değişen derecelerde hasar görür.
Ekstrakorporeal şok dalgası litotripsi yöntemi 1980 yılında bir Alman şirketi tarafından icat edildi ve 1983 yılında ticarileştirildi ve daha sonra taşların tedavisi için rutin bir teknik haline geldi. Tedavi sürecinde, odaklanmış şok dalgasının (dalga formu için Şekil 4'e bakınız) vücudun yağlarından ve dokularından kolayca geçebilmesini sağlamak için şok dalgası üretecinin insan vücuduna temas ettiği kısımda bazı özel tedaviler uygulanır ve son olarak Taşın insan vücudundaki kısmı ve onu ez. Şok dalgası kırma taşlarının mekanizması, stres yıkımı, kavitasyon etkisi ve yorgunluk gibi birçok fiziksel etki içerir.
Şekil 4 Kaya kırmada kullanılan tipik bir şok dalgasının dalga formu
Şekil 4, tipik bir ekstrakorporeal şok dalgası litotripsisinde kullanılan tam şok dalga biçimini göstermektedir. İlk olarak, dalganın basıncı kısa bir süre içinde hızla yaklaşık 40 MPa'ya yükseldi, ardından kademeli olarak yaklaşık eksi 50 MPa'ya düştü ve sonunda kademeli olarak başlangıç basınç değerine geri döndü. Genel olarak konuşursak, bir tedavi Şekil 4'te gösterildiği gibi yaklaşık 1500-3000 şok darbesi gerektirir ve tedavi süreci yaklaşık 30 dakika sürer. Tedavinin amacı, insan vücudundaki taşları yüksek enerjili şok dalgaları ile daha küçük parçalara ayırmak, böylece üretra ve vücudun diğer bölgelerinden doğal yollarla boşaltılabilmeleri veya ilgili ilaçlar alınarak eritilmesidir. Ekstrakorporeal şok dalgası litotripsi sürecinde kavitasyon etkisi önemli bir rol oynar (Şekil 5). Şekil 5 (a) ve (b) sırasıyla odaklanmış şok dalgasının etkisi altındaki kavite yarıçapı değişiminin teorik hesaplamasını ve oluşturulan basınç dalgasının şematik diyagramını göstermektedir. Şekil 5 (c), bir hidrofon ile ölçülen kavitasyon tarafından üretilen basınç dalgasının şematik bir diyagramını göstermektedir. Şekil 5'te, odaklanmış şok dalgası odak merkezine yaklaşık 250 ms içinde ulaşır İnsan vücudunda doğal olarak bulunan mikron boyutlu kavitasyon kabarcıkları önce şok dalgasının etkisi altında (Şekil 5'te yaklaşık 250 ms) kuvvetli bir şekilde sıkıştırılır ve ardından mikrokavitasyon kabarcıkları keskindir. Milimetre seviyesinde kavitasyonlara (Şekil 5'te 250-620ms alan) genişler ve son olarak, bu kavitasyonlar şiddetli bir şekilde çöker (Şekil 5'te yaklaşık 620ms alan). Kavitasyon balonunun çökmesi sırasında, güçlü bir şok dalgası üretilecek ve yüksek hızlı bir mikrojet üretilecektir. Tüm kavitasyon bulutunun (yani bir kavitasyon kabarcığı kümesinin) çökmesinin fiziksel süreci Şekil 6'da gösterilmektedir. Tüm kavitasyon bulutu yarım küre şeklindedir ve taş parçanın yakınındaki kavitasyon önce içe doğru küçülür ve son olarak tüm kavitasyon bulutu merkezinde şiddetli bir şekilde çöker. Bu nedenle, ekstrakorporeal şok dalgası litotripsisinin tedavi sürecinde, üretilen kavitasyon etkisi tedaviye yardımcı olabilir ve taşların ezilmesini ve ayrışmasını teşvik edebilir.
Şekil 5 (a) Zamanla değişen boşluğun yarıçapının şematik diyagramı;
(B) Zamanla kavitasyonla üretilen basınç dalgasının şematik diyagramı;
(C) Zaman içinde hidrofon tarafından tespit edilen basınç sinyalinin şematik diyagramı
Şekil 6 Yüksek hızlı fotoğrafla çekilen ekstrakorporeal şok dalgası litotripsi sırasında taş yüzeyindeki kavitasyon bulutunun çökmesi
İnsan vücudundaki şok dalgası enerjisinin iletim sürecinde kavitasyonun çok önemli bir etkiye sahip olduğu belirtilmelidir. Bir şok dalgası, kavitasyon kabarcıkları ile dolu bir sıvı içinde yayıldığında, şok dalgasının enerjisi, boşluğun salınımı ve boşluktan kaynaklanan şok dalgası yansıması gibi fiziksel süreçlerin varlığı nedeniyle büyük ölçüde dağılacak ve şok dalgası enerjisinin yetersiz kalmasına neden olacaktır. Taşa odaklanın. Örneğin, şok dalgasının frekansı çok yüksekse (örneğin, frekans 1 Hz'den yüksekse), önceki şok dalgasının oluşturduğu boşluk çözülmek için çok geç olduğundan, şok dalgasının enerjisi büyük ölçüde boşluk tarafından dağıtılır ve bu da ön ayarlara ulaşmayı imkansız hale getirir. Terapötik etki. Bu nedenle, makul bir şok dalgası parametresi seçimi, iyi bir terapötik etkiye ulaşmada önemli bir faktördür.
Ekstrakorporeal şok dalgası litotripsi yaygın olarak kullanılmasına rağmen, bu yöntemin hastaların tedavisi sırasında rahatsızlığa neden olabilecek bazı yan etkileri (kanama, yüksek tansiyon, tromboz ve böbrek hasarı gibi) vardır ve safra taşları ve daha büyükler için oldukça etkilidir. Taşların belirgin bir etkisi yok. Bu yöntemin yukarıdaki eksiklikleri ışığında, ortaya çıkan bazı alternatif teknolojiler (piyeloskop lazer litotripsi vb.) Bir dereceye kadar uygulanmıştır. Geliştirilmekte olan diğer litotripsi teknolojileri arasında in vitro noninvazif odaklanmış ultrason litotripsi bulunur (dalga formları için bkz. Şekil 7). Bu teknoloji, taşların yüzeyinde kavitasyon bulutları oluşturmak için ağırlıklı olarak odaklanmış ultrasonik dalgaları kullanır ve taşları yavaş yavaş ince toz haline getirmek için kavitasyon bulutlarının kırılması sırasında oluşan güçlü yıkıcı kuvveti kullanır. Bu yöntem, taş yüzeyinde kavitasyon bulutlarının oluşumunu teşvik etmek için ilk olarak yüksek frekanslı ultrason kullanır (Şekil 7'deki 3,82 MHz ultrason gibi) ve kavitasyon bulutunun salınımını uyarır ve ardından düşük frekanslı ultrason kullanır (Şekil 7'de 545 kHz gibi). Ultrasonik dalga) kavitasyon bulutunun çökmesine neden olur.Ultrasonik dalganın enerjisi sürekli olarak iletilecek ve kavitasyon bulutu içinde birikecektir.Son olarak, kavitasyon bulutunun içinde bir yere kuvvetli bir şekilde salınacak ve taşa güçlü bir şekilde zarar verecek ve onu "ısıracaktır". Küçük bir taş. Yukarıdaki işlemin tamamı yaklaşık 80-90 ms sürer.Kısa bir aradan sonra, yukarıdaki işlem sürekli olarak tekrarlanır ve son olarak tüm taş, insan vücudundan kolayca atılabilen çok ince toz haline tamamen ezilir. Birçok hasta ekstrakorporeal şok dalgası litotripsi ile tedavi edilmiştir ve ezilmiş taşları hala çok büyüktür ve eşdeğer çapları 2 mm'den büyük olabilir, bu da insan vücudundan sorunsuz bir şekilde boşaltılamaz.İn vitro non-invaziv odaklanmış ultrason litotripsi ile ilgili deneyler göstermektedir. İşlemden sonra taşlar kavitasyon etkisiyle tamamen ufalanır (Şekil 8), bu da üretra yoluyla insan vücudundan kolayca atılabilir. Ek olarak, odaklanmış ultrason teknolojisinin gelişmesi nedeniyle, ultrasonun odak hassasiyeti şok dalgalarınınkinden çok daha yüksektir, bu da taşlara "tam olarak çarpabilir" ve masumlara (çevre dokular gibi) zarar vermekten kaçınarak tedavi sürecini büyük ölçüde zayıflatabilir. komplikasyon. İn vitro non-invaziv odaklanmış ultrason litotripsi halen geliştirilme aşamasındadır.Taşların tedavisinde umut verici bir tekniktir ve yakın gelecekte klinik tedavilerde kullanılması beklenmektedir.
Şekil 7 Litotripsi için kullanılan odaklanmış ultrasonun dalga formunun şematik diyagramı
Şekil 8 İn vitro non-invaziv odaklanmış ultrason litotripsi ile tedavi sonrası taşlar ve parçaları
2. Deniz yaşamının akustik kavitasyonu ve karaya oturması
Denizaltıları daha iyi tespit etmek için, Donanma 1960'lardan beri aktif sonar kullanıyor (prensip için bkz. Şekil 9). Orta frekanslı sonarın frekansı 1 - 10 kHz'dir; düşük frekanslı sonarın frekansı 1 kHz'den azdır. Aktif sonarın temel prensibi, önce sonardan bir algılama sinyali yaymak ve ardından algılama sinyalini ve nesneden yansıyan dalgayı alarak hedefi (tip, konum ve şekil vb.) Analiz etmektir. Algılama mesafesini artırmak için aktif sonarın gücü genellikle daha büyüktür. Sonarın deniz hayvanları üzerinde birçok etkisi vardır, ancak akustik kavitasyonla ilgili etkiler nadiren bilinmektedir.
9 Aktif sonarın şematik diyagramı
Son yıllarda, birçok deniz yaşamının (özellikle balinalar ve yunuslar, vb.) Mahsur kalan olayların, zaman ve uzaydaki deniz tatbikatlarıyla güçlü bir şekilde ilişkili olduğu keşfedilmiştir. 24 Eylül 2002'de, İspanya'daki Kanarya Adaları yakınlarında 10 ülkeyi kapsayan NATO uluslararası deniz tatbikatı kod adlı "Neo Tapon 2012" gerçekleştirildi. Aktif sonarı 4 saat kullandıktan sonra, tatbikat sahasının yakınında mahsur kalmış 14 farklı deniz canlısı türü bulundu (Şekil 10). Daha sonra, bilim adamları, karaya oturmuş deniz yaşamı cesetlerini analiz ettiler (Şekil 11) ve deniz tatbikatında kullanılan sonarın olayın suçlusu olabileceğine işaret ettiler. Kıyıya çekilmiş deniz hayvanlarında (özellikle karaciğer), çok sayıda farklı boyutta vakuol bulundu (Şekil 11). Yerel alanlarda, boşluğun hacmi toplam hacmin% 90'ını bile oluşturur. Bazı küçük vakuollerin (çapı 50 ila 750 mm arasında) varlığı, deniz organizmalarının karaciğer dokusunun sıkışmasına, kan damarlarının genişlemesine, lokal kanamaya ve şiddetli hücre nekrozuna neden olabilir.
Şekil 10 Kanarya Adaları yakınlarında karaya oturmuş deniz yaşamı
Şekil 11 Deniz organizmalarının karaciğerinde bulunan vakuoller.
(A) Anatomik diyagram, vakuolün çapı 0.2 ± 6.0 cm'dir;
(B) Mikroskop resmi, resimdeki boşluğun çapı 50 750 mm
Peki bu anormal boşluklar nereden geliyor? Bu boşluklar balinaların ve diğer deniz canlılarının normal faaliyetlerini nasıl etkiler?
Akademide iki açıklama vardır: İlk açıklama, balinaların sonar gürültüsünden korkması ve dalış hastalığına benzer semptomlara neden olmak için hızla su yüzüne çıkmasıdır. Ancak son yıllarda yapılan bazı takip çalışmaları bu görüşü desteklemiyor. Bilim adamları bir testte gagalı bir balinayı etiketledi ve sonar kullanımı sırasında davranışını takip etti. Deneyler balinanın yavaşça daldığını, daha sonra yeme faaliyetlerini durdurduğunu, ses kaynağından uzaklaştığını ve sonunda su yüzüne çıktığını göstermiştir. Bu, önceki bilim insanlarının balinaların sonarın müdahalesi altında hızla yüzeye çıkacağına dair spekülasyonlarıyla tutarsızdır.
Başka bir açıklama, bükülmenin, yüksek doymuş gaz içeren bir ortamda ve yüksek güçlü bir ses alanının etkisi altında kavitasyon kabarcıklarının büyümesiyle ilgili olabileceğidir. Ses alanının etkisi altında, boşluk ve çevreleyen sıvı arasındaki kütle transferinden dolayı boşluğun yavaşça büyüyeceği (Şekil 12) veya küçüleceği uzun zamandır keşfedilmiştir. Birkaç nesil aralıksız çabalardan sonra, bu alandaki teori kademeli olarak geliştirildi ve teorik öngörüleri temelde deneysel ölçümlerle tutarlı ve akademik topluluk tarafından geniş çapta kabul edildi ve kabul edildi. Sabit bir frekans ve belirli bir kavitasyon boyutu için, ses alanının yoğunluğu için bir eşik vardır. Ses alanı yoğunluğu bu eşikten daha yüksek olduğunda boşluk büyür; ses alanı yoğunluğu bu eşikten düşük olduğunda boşluk küçülür. Genel olarak algılama mesafesini daha uzağa götürmek için aktif sonarın gücü bu eşikten çok daha yüksektir. Çevreleyen sıvının içindeki gaz aşırı doymuş bir durumda olduğunda, kavitasyon kabarcıklarının büyüme hızı önemli ölçüde hızlanacaktır. Teorik olarak, derin deniz hayvanlarında azotun dokulardaki aşırı doygunluğu% 300'e ulaşacaktır. Böylesine yüksek bir süperdoyma ortamında, sonarın etkisi altında boşluğun hızlı büyümesini ve salınımını uyarmak çok mümkündür. Kavite salınımı sürecinde üretilen güçlü yıkıcı kuvvet, deniz organizmalarının iç dokularına zarar verebilir (Şekil 11) ve sonunda deniz organizmalarının karaya oturması trajedisine yol açabilir. Yukarıdaki teori için doğrudan kanıt elde etmek çok zor olsa da, bilim adamları bu sorunu bir dizi in vitro deney tasarlayarak incelediler. Sonuçlar, hayvan dokusundaki gazın belirli bir yüksek doygunluğu sürdürmesi koşuluyla, ses dalgalarının varlığının, vakuolün büyümesi üzerinde belirleyici bir etkiye sahip olduğunu ve büyümesini büyük ölçüde destekleyebileceğini göstermektedir.
Şekil 12 Ses alanı etkisi altında kavitasyon kabarcıklarının büyüme süreci
Sonar etkisi altında mahsur kalan deniz canlıları sorunu çok karmaşık olduğundan, yukarıdaki akademik hipotezleri doğrulamak için doğrudan deneyler yapmak zordur, bu nedenle gerçek neden hala bir muamma.Akademik çevrelerde hala tartışmalar var ve evrensel olarak kabul gören bir görüş yok.
3. Kavitasyon etkisini kullanma
Karbon nanotüp kesme teknolojisi
Karbon nanotüpler (Şekil 13), bir karbon allotropu olan silindirik ve içi boş nanoyapılardır (yani, aynı element bileşimine sahip ancak farklı formlara sahip basit bir madde). Olağanüstü güçleri, iyi esneklikleri, yüksek erime noktaları ve diğer benzersiz özellikleri nedeniyle 1991 yılında karbon nanotüplerin keşfedilmesinden bu yana, akademik camiadan büyük ilgi gördüler. Örneğin, 29 Ekim 2012'de IBM araştırmacıları, ilk kez 10.000'den fazla karbon nanotüp transistörünün ana akım yarı iletken teknolojisi kullanılarak bir yongaya doğru şekilde yerleştirildiğini ve fizibilite testini geçtiğini duyurdu. Bu, silisyumun nanomalzemeler ile değiştirilmesinin ilk adımıdır. Endüstriyel olarak üretilen karbon nanotüplerin mikroskobik özellikleri (uzunluk ve çap gibi) eşit değildir ve daha fazla işlem gerektirir (kesme vb.).
Şekil 13 (Tek duvarlı) karbon nanotüpler
Karbon nanotüplerin küçük çapından dolayı (genellikle 1-20 nm aralığında), geleneksel kesme işlemi bu kadar küçük ölçekte işe yaramaz. Son yıllarda, karbon nanotüp kümelerini kesmek için akustik kavitasyon teknolojisi kademeli olarak kullanılmaktadır. Ses alanının etkisi altında (genellikle 20 kHz düşük frekanslı ultrason), çözeltideki boşluğun yakınındaki basınç alanı (çapı yaklaşık onlarca mikrondur) büyük ölçüde değişir ve bu da boşluğun salınmasına neden olur. Mikron ölçekli kavitasyon kabarcıkları genellikle küresel olduğundan, boşluğun salınım modu esas olarak radyaldir (yani, boşluğun merkezinden boşluğun kenarına olan yön) ve boşluğun yakınında ileri-geri salınan bir hız alanı oluşur. Karbon nanotüpler kuvvet üretir, böylece boşluğun yakınındaki karbon nanotüpler kesilir. Kavitasyon tarafından üretilen akış alanı altındaki farklı uzunluklardaki karbon nanotüplerin dinamik davranışı önemli ölçüde farklıdır (Şekil 14):
Şekil 14 Kavite salınımının oluşturduğu akış alanının etkisi altındaki farklı uzunluklardaki karbon nanotüplerin şematik diyagramı.
Resimdeki siyah kısım karbon nanotüp
Kısa karbon nanotüpler: boşluk akış alanının etkisi altında dönerler ve uzunluk yönü, boşluğun radyal yönü ile tutarlıdır. Karbon nanotüplerin iki ucundaki farklı hız alanlarından dolayı, boşluğa daha yakın olan uç, boşluktan daha uzak olan uçtan daha yüksek bir hıza sahiptir. Karbon nanotüpler, akış alanının etkisi altında genişlemeye ve büzülmeye devam ederek son kesimle sonuçlanır.
Uzun karbon nanotüp: boşluk akış alanının etkisi altında, uzunluk yönü boşluğun teğet yönü ile tutarlıdır. Akış alanının etkisi nedeniyle, karbon nanotüpler bükülerek kırılmaya neden olur.
Yukarıdaki iki farklı etki mekanizması, aynı akustik alan parametreleri altında farklı uzunluklarda karbon nanotüplerin farklı oranlarda kesilmesine neden olacaktır. Ses alanının parametrelerini ve eylem süresini ayarlayarak, bu teknoloji, karbon nanotüp kümelerinin uzunluğunu (istatistiksel anlamda) ve diğer parametreleri makroskopik olarak kontrol etmek için kullanılabilir. Teknoloji hala daha da geliştiriliyor ve iyileştiriliyor.
4. Sonuç
Son yıllarda, akustik kavitasyon etkilerine dayalı tıbbi tedaviler (tümörleri tedavi etmek için gen verme ve ilaç verme yöntemlerinin kullanılması gibi) giderek sıcak noktalar haline geldi ve bazı sonuçlar elde edildi. Bu yepyeni alanların ortaya çıkışı, geleneksel akustik kavitasyon alanındaki araştırmalara da yeni canlılık ve ivme katmıştır.
Bu makale "Modern Fizik Bilgisi" 2014, Sayı 1, Zaman Özeti'nden seçilmiştir.
