Développement d'un laboratoire

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 6421 (2023) Citer cet article

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Les liquides cryogéniques tels que l'azote liquide sont importants pour de nombreux processus dans l'ingénierie ainsi que dans l'industrie alimentaire et pharmaceutique. Cependant, en raison de sa forte évaporation dans les conditions ambiantes, sa manipulation à des fins de laboratoire et d'expérimentation est jusqu'à présent fastidieuse. Dans le présent travail, une approche de conception originale pour un dispositif d'alimentation en azote liquide est développée et caractérisée en détail. Avec le dispositif, l'azote liquide pur est fourni d'un flacon de Dewar sous pression à une aiguille hypodermique sans contamination du liquide par sa propre vapeur ou par le gel, permettant finalement de générer un jet de liquide libre ou des gouttelettes uniques d'une manière comparable à la manipulation de non- liquides cryogéniques à l'aide d'une seringue et d'une aiguille hypodermique. Comparée aux approches précédentes pour la génération de gouttelettes d'azote liquide dans des études scientifiques qui reposent principalement sur un réservoir d'azote liquide à partir duquel des gouttelettes se forment à une sortie inférieure en raison de la gravité, la conception actuelle permet de générer des gouttelettes et des jets de liquide libres de manière significativement meilleure. manière contrôlée et plus flexible. Le dispositif est caractérisé expérimentalement pour différentes conditions de fonctionnement lors de la génération d'un jet de liquide libre, et sa polyvalence à des fins de recherche en laboratoire est en outre brièvement démontrée.

En raison de son importance pour divers processus naturels et techniques, la dynamique des gouttelettes et plus particulièrement leur impact a été largement étudiée expérimentalement pendant près d’un siècle et demi1,2. Pour la génération de gouttelettes, même une seringue et une aiguille hypodermique attachée peuvent suffire pour placer une gouttelette là où elle est nécessaire ; la gouttelette se détachera simplement de l’aiguille en raison de la gravité. La taille des gouttelettes dépend de la taille de l’aiguille et évolue théoriquement de manière linéaire avec le diamètre de l’aiguille. Si l’aiguille est dans la bonne position au moment du détachement, cette approche simple peut suffire à réaliser des expériences d’impact de gouttelettes. Cependant, à des fins plus sophistiquées, par exemple pour obtenir une fréquence de génération ou une taille de gouttelettes contrôlée, ou lors de la manipulation de liquides non newtoniens, de nombreuses approches de conception de générateurs de gouttelettes ont été rapportées dans la littérature au cours des dernières décennies3,4,5,6,7. ,8. Ceux-ci sont soit conçus pour remplir un objectif spécifique dans une certaine application industrielle, soit utilisés dans un environnement de laboratoire afin d'étudier les principes fondamentaux impliqués dans l'interaction d'une gouttelette avec son environnement. Cependant, tout ce qui précède concerne uniquement les liquides non cryogéniques. Bien qu’une seringue et une aiguille suffisent fondamentalement à la génération de gouttelettes, des efforts notables ont été investis dans la conception de générateurs de gouttelettes répondant aux exigences spécifiques résultant d’une application donnée.

Sur la base de ce qui précède, aucune précision supplémentaire n'est nécessaire pour justifier les efforts investis dans le développement d'un système permettant réellement la génération de gouttelettes à partir d'un liquide cryogénique tel que l'azote liquide. Les liquides cryogéniques, c'est-à-dire les liquides dont la température d'ébullition est inférieure à − 150\(\,^\circ \)C à pression ambiante, sont utilisés dans divers domaines tels que l'ingénierie, l'industrie alimentaire et pharmaceutique. Étant donné que les liquides cryogéniques bout en permanence lorsqu’ils sont manipulés dans des conditions ambiantes, ils présentent un comportement assez particulier. En particulier, l'interaction d'un liquide cryogénique avec d'autres liquides ou solides se trouvant à des températures plus élevées est associée à divers processus physiques interagissant partiellement les uns avec les autres, et contrôlant potentiellement le processus technique dans lequel ils sont impliqués. Alors que leur exploitation croissante pour des applications techniques et médicales, essentiellement motive les recherches en cours sur les liquides cryogéniques, l'évaporation continue dans des conditions ambiantes complique énormément leur manipulation pour l'expérimentation. Cela empêche notamment d'utiliser les approches classiques de génération de gouttelettes qui sont bien établies pour les liquides non cryogéniques. Bien que des solutions commerciales existent, jusqu’à présent, la littérature ne rapporte que peu de choses sur la génération de gouttelettes à partir de liquides cryogéniques. Cependant, spécifiquement pour l'azote liquide utilisé dans les études scientifiques, les gouttelettes ont jusqu'à présent été principalement générées en laissant le liquide s'égoutter d'un réservoir stationnaire et isolé pour l'azote liquide9,10,11,12, ce qui est associé à une polyvalence considérablement réduite du approche en raison de sa flexibilité limitée et de sa contrôlabilité du liquide.