Aerosole sind kleine Partikel, die erhebliche Auswirkungen auf das Erdklima und die menschliche Gesundheit haben können.

Diese Mikrotröpfchen können beispielsweise einfallendes Sonnenlicht zurück ins All reflektieren und so einen sich erwärmenden Planeten kühlen. Oder sie können verwendet werden, um Medikamente in die Lunge zu transportieren, insbesondere zur Behandlung von Atemwegserkrankungen.

Daher ist die Fähigkeit, genauer zu bestimmen, wie sich Aerosole bewegen, für die pharmazeutischen Wissenschaften und die Klimaforschung von entscheidender Bedeutung. Die Aerosolwissenschaft ist auch ein wichtiger Aspekt in vielen Branchen, von der Automobilindustrie bis zur Lebensmittelverarbeitung.

Jetzt haben Wissenschaftler eine Studie veröffentlicht, in der ein bahnbrechendes Gerät beschrieben wird – eine neue Peitschenstrahl-Aerosoldose – das relativ kostengünstig zu bauen und zu betreiben ist.

„Wir haben einen einzigartigen, stationären, gasfokussierten Peitschenstrahl geschaffen, der keinen Strom verbraucht“, sagte der Hauptautor Sankar Raju Narayanasamy, PhD, ein Forscher am Lawrence Livermore National Laboratory und ein angegliederter Forscher am Berkeley Lab und am SLAC National Accelerator Laboratory . .

„Diese Entwicklung ist eine große Errungenschaft, die ein breites Anwendungsspektrum haben könnte“, sagte Narayanasamy, der die Forschung als BioXFEL-Wissenschaftler leitete, ein von der U.S. National Science Foundation finanziertes Forschungskonsortium unter der Leitung der University of Buffalo, Hauptman-Woodward Medical. Forschungsinstitut (HWI) und Partnerinstitutionen.

Martin Trebbin, PhD, SUNY Empire Innovation Assistant Professor of Chemistry an der University at Buffalo College of Arts and Sciences, ist Co-Korrespondenzautor der Studie.

Er sagt, dass „feine monodisperse Aerosole mit kontrollierten Abmessungen in Instrumenten für Probenumgebungen wie Massenspektrometrie, Freie-Elektronen-Röntgenlaser (XFELs) und Kryo-Elektronenmikroskopie nützlich sind, die zur Untersuchung von Bio-Makromolekülen für die Strukturanalyse und Arzneimittelforschung verwendet werden .“

Trebbin, der sagt, die Forschung sei eine „bedeutende Errungenschaft in Fluiddynamik und Mikrofluidik“, ist ein Kernfakultätsmitglied des UB RENEW Institute und Fellow am BioXFEL Science and Technology Center.

Die Technologie wird in einer Studie mit dem Titel „A sui generis whipping instability-based self-sequencing multi-monodisperse 2D Sprays from an anisotrop microfluidic liquid jet device“ beschrieben, die in der Zeitschrift Cell Press veröffentlicht wurde. Cell meldet Physik.

Die Studie markiert einen Fortschritt der dritten Generation in der Flüssigkeitsstrahltechnologie. Zuerst kamen 1998 zylindrische Flüssigkeitsstrahlen, 2018 folgten flache Flüssigkeitsplättchen.

Der neue Prallstrahl ist der erste seiner Art, weil er homogene Tröpfchen in einem zweidimensionalen Profil erzeugt, sagt Co-Autor Hoi-Ying N. Holman, PhD, Direktor des Bildgebungsprogramms Berkeley Synchrotron Infrared Structural Biology am Lawrence Berkeley National Laboratory .

In den letzten 20 Jahren haben Wissenschaftler viele Wege ausprobiert, um die Bewegung von Aerosolen präzise zu steuern, wie z. B. piezoelektrische Betätigung oder lokale Erwärmung. Die Verwendung dieser Techniken ist jedoch begrenzt, da sie dazu neigen, die Proben zu verändern, die Wissenschaftler mit den Aerosolen zur Untersuchung verwenden. Dies gilt insbesondere für biologische Proben.

In der Studie diskutieren die Forscher die wichtige Rolle, die die analytische Strömungsdynamik – ein Zweig der Strömungsmechanik, der numerische Analysen und Datenstrukturen zur Analyse und Lösung von Strömungsproblemen verwendet – in ihrer Arbeit gespielt hat.

Dazu gehört die Erklärung des „Strahldurchmessers, des Peitschenregimes und des Dispersionswinkels“ der Geräte, sagte Ramakrishna Vasireddi, PhD, Co-Erstautorin und Forschungswissenschaftlerin bei SOLEIL, der französischen Synchrotronanlage in Paris.

Er fügt hinzu: „Das Phänomen wird experimentell weiter charakterisiert, indem der Winkel relativ zur Strömungsgeschwindigkeit, die Abstände zwischen den Tropfen, die Tropfenformen und die Reproduzierbarkeit dieser Parameter gemessen werden.“

In der Studie erklärt das Team auch, wie man solche relativ kostengünstigen Geräte baut.