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Sep 06, 2023

I ricercatori stampano in 3D una pompa a vuoto in miniatura

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Gli spettrometri di massa sono analizzatori chimici estremamente precisi che hanno molte applicazioni, dalla valutazione della sicurezza dell'acqua potabile alla rilevazione delle tossine nel sangue di un paziente. Ma costruire uno spettrometro di massa portatile ed economico che possa essere utilizzato in località remote rimane una sfida, in parte a causa della difficoltà di miniaturizzare la pompa a vuoto necessaria per funzionare a basso costo.

I ricercatori del MIT hanno utilizzato la produzione additiva per compiere un passo importante verso la risoluzione di questo problema. Hanno stampato in 3D una versione in miniatura di un tipo di pompa a vuoto, nota come pompa peristaltica, che ha le dimensioni di un pugno umano.

La loro pompa può creare e mantenere un vuoto con una pressione di un ordine di grandezza inferiore rispetto a una cosiddetta pompa a secco e grossolana, che non richiede liquidi per creare il vuoto e può funzionare a pressione atmosferica. Il design unico dei ricercatori, che può essere stampato in un unico passaggio su una stampante 3D multimateriale, impedisce la fuoriuscita di fluidi o gas riducendo al minimo il calore derivante dall’attrito durante il processo di pompaggio. Ciò aumenta la durata del dispositivo.

Questa pompa potrebbe essere incorporata in uno spettrometro di massa portatile utilizzato, ad esempio, per monitorare la contaminazione del suolo in parti isolate del mondo. Il dispositivo potrebbe anche essere ideale per l’uso in apparecchiature di rilevamento geologico destinate a Marte, poiché sarebbe più economico lanciare la pompa leggera nello spazio.

"Stiamo parlando di un hardware molto economico che è anche molto potente", afferma Luis Fernando Velásquez-García, uno dei principali scienziati dei Microsystems Technology Laboratories (MTL) del MIT e autore senior di un articolo che descrive la nuova pompa. "Con gli spettrometri di massa, il gorilla da 500 libbre nella stanza è sempre stato il problema delle pompe. Ciò che abbiamo mostrato qui è rivoluzionario, ma è possibile solo perché è stampato in 3D. Se volessimo farlo nel modo standard , non saremmo stati neanche lontanamente vicini

Velásquez-García è affiancato nell'articolo dall'autore principale Han-Joo Lee, ex postdoc del MIT; e Jorge Cañada Pérez-Sala, studente laureato in ingegneria elettrica e informatica. L’articolo appare oggi in Additive Manufacturing.

Problemi alla pompa

Quando un campione viene pompato attraverso uno spettrometro di massa, viene privato degli elettroni per trasformare i suoi atomi in ioni. Un campo elettromagnetico manipola questi ioni nel vuoto in modo da poterne determinare le masse. Queste informazioni possono essere utilizzate per identificare con precisione i componenti del campione. Mantenere il vuoto è fondamentale perché, se gli ioni entrano in collisione con le molecole di gas presenti nell'aria, la loro dinamica cambierà, riducendo la specificità del processo analitico e aumentando i suoi falsi positivi.

Le pompe peristaltiche sono comunemente utilizzate per spostare liquidi o gas che contaminerebbero i componenti della pompa, come i prodotti chimici reattivi. Vengono utilizzati anche per pompare fluidi che devono essere mantenuti puliti, come il sangue. La sostanza pompata è interamente contenuta all'interno di un tubo flessibile avvolto attorno a una serie di rulli. I rulli stringono il tubo contro il suo alloggiamento mentre ruotano. Le parti pizzicate del tubo si espandono seguendo la scia dei rulli, creando un vuoto che attira il liquido o il gas attraverso il tubo.

Sebbene queste pompe creino un vuoto, i problemi di progettazione ne hanno limitato l’uso negli spettrometri di massa. Il materiale del tubo si ridistribuisce quando viene applicata la forza dai rulli, creando spazi vuoti che causano perdite. Questo problema può essere superato azionando rapidamente la pompa, forzando il fluido a passare più velocemente di quanto possa fuoriuscire. Ma questo provoca un calore eccessivo che danneggia la pompa e le lacune rimangono. Per sigillare completamente il tubo e creare il vuoto necessario per uno spettrometro di massa, il meccanismo deve esercitare una forza aggiuntiva per comprimere le aree rigonfie, causando ulteriori danni, spiega Velásquez-García.