Stampa 3D di una mini pompa a vuoto

Andrea Corselli

Gli spettrometri di massa sono analizzatori chimici estremamente precisi che hanno molte applicazioni. Ma costruire uno spettrometro di massa portatile ed economico che possa essere utilizzato in località remote rimane una sfida, principalmente a causa della difficoltà di miniaturizzare a basso costo la sua necessaria pompa a vuoto.

Ora, i ricercatori del MIT hanno utilizzato la produzione additiva per compiere un passo importante verso la risoluzione di questo problema. Il team ha stampato in 3D una versione mini – delle dimensioni di un pugno umano – di una pompa peristaltica. La pompa può creare e mantenere un vuoto con una pressione di un ordine di grandezza inferiore rispetto a una pompa a secco e ruvida, non richiede liquidi per creare il vuoto e può funzionare a pressione atmosferica.

"Stiamo parlando di hardware molto economico ma anche molto potente", ha affermato l'autore senior Luis Fernando Velásquez-García. "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."

“Uno dei principali vantaggi dell’utilizzo della stampa 3D è che ci consente di prototipare in modo aggressivo”, ha aggiunto Velásquez-García. "Se fai questo lavoro in una camera bianca, dove vengono prodotte molte di queste pompe miniaturizzate, ci vogliono molto tempo e molti soldi. Se vuoi fare un cambiamento, devi ricominciare l'intero processo. In questo caso, possiamo stampare la nostra pompa nel giro di poche ore e ogni volta può trattarsi di un nuovo design."

Ecco un'intervista di Tech Briefs con Velásquez-García, modificata per lunghezza e chiarezza.

Brief tecnici:Cosa ha ispirato la tua ricerca?

Velasquez-Garcia : Il mio background riguarda i sistemi microelettromeccanici (MEMS), ovvero l'hardware realizzato sfruttando la miniaturizzazione. Le persone hanno familiarità, diciamo, con l'elettronica degli smartphone e dei computer, ma in più ci sono cose come gli accelerometri MEMS nei telefoni.

La storia, più o meno, è che la grande maggioranza di questo hardware viene realizzata in una camera bianca per semiconduttori, il che è qualcosa di veramente utile per una cosa: produrre elettronica per semiconduttori. Quindi siete molto limitati nel tipo di strutture e nei materiali che potete utilizzare. Le strutture sembrano dei sandwich: sono stratificate e per lo più bidimensionali, e ci sono così tanti materiali.

Mi sono interessato all’utilizzo dei microsistemi stampati in 3D perché la stampa 3D ha dimostrato di essere una cassetta degli attrezzi che espande notevolmente le capacità di ciò che possiamo realizzare.

Questa è una parte della storia. La seconda parte della storia è la pompa. Lavoro sulla spettrometria di massa da circa 15 anni ed è stato come il Santo Graal; molte delle industrie che abbiamo in giro – come l’industria alimentare, quella farmaceutica, l’esplorazione petrolifera – si affidano alla spettrometria di massa per determinare quantitativamente la composizione di un campione.

Diciamo che crei una medicina; devi verificare che stai effettivamente creando ciò che pensi di creare. Oppure, quando stai effettuando un'indagine geologica, vuoi essere sicuro di aver trovato il materiale che pensavi di aver trovato. Quindi, esiste una tecnica che puoi usare chiamata spettrometria di massa. Lo stato dell'arte di questi dispositivi è un hardware molto pesante, molto grande, molto costoso. Quindi, devi spedire i campioni ai laboratori e questo ha un costo.

Se, invece, provassi a spedire uno spettrometro di massa, ad esempio, a un pozzo petrolifero; potrebbe frantumarsi. Quindi, quello che persone come me e molti altri stanno cercando di fare è miniaturizzare gli spettrometri di massa. Gli spettrometri di massa richiedono il vuoto per funzionare, quindi la sfida principale è la mancanza di adeguate fonti di vuoto. Gli spettrometri di massa funzionano creando un vuoto, ma devono interfacciarsi con la pressione atmosferica. Non esiste una tecnologia di pompa in grado di coprire l'intera gamma, dalla pressione atmosferica all'alto vuoto, di cui hai bisogno.

Il dispositivo che abbiamo creato e su cui abbiamo scritto un articolo, è la prima fase. Funziona con la pressione atmosferica, abbassando il livello torr (pressione). E poi una volta che sei lì, ci sono altre tecnologie che puoi utilizzare per abbassare ulteriormente la pressione.