El MIT ha logrado desarrollar una bomba de vacío miniaturizada mediante impresión 3D, que podría ser un componente clave en la creación de espectrómetros de masas portátiles. La bomba es del tipo peristáltico, y tiene el tamaño de un puño humano. Los espectrómetros de masas son analizadores químicos precisos que tienen múltiples aplicaciones, desde evaluar la seguridad del agua potable hasta detectar toxinas en la sangre del paciente.
Sin embargo, la creación de un espectrómetro de masas portátil y de bajo costo sigue siendo un reto, en parte debido a la dificultad de miniaturizar la bomba de vacío que necesita para operar de manera efectiva. Por eso, los investigadores de MIT utilizaron la impresión 3D para dar un gran paso hacia la solución de este problema.
La importancia de la bomba de vacío en los espectrómetros de masas
Un espectrómetro de masas funciona al ionizar una muestra y manipular los iones en un vacío para determinar su masa. Esta información puede ser usada para identificar precisamente los componentes de la muestra. Mantener el vacío es fundamental, ya que si los iones chocan con moléculas de gas del aire, sus dinámicas cambiarán, reduciendo la especificidad del proceso analítico y aumentando los falsos positivos.
Las bombas peristálticas son comúnmente utilizadas para mover líquidos o gases que contaminarían los componentes de la bomba, como los químicos reactivos. También se utilizan para bombear fluidos que deben mantenerse limpios, como la sangre. La sustancia que se bombea está completamente contenida en un tubo flexible que está enroscado alrededor de un conjunto de rodillos. Los rodillos aprietan el tubo contra su carcasa mientras rotan. Las partes aplastadas del tubo se expanden en la estela de los rodillos, creando un vacío que atrae el líquido o gas a través del tubo.
Problemas en las bombas peristálticas
Las bombas peristálticas crean un vacío, pero los problemas de diseño han limitado su uso en los espectrómetros de masas. El material del tubo se redistribuye cuando se aplica fuerza con los rodillos, lo que causa huecos que provocan fugas. Este problema se puede superar haciendo funcionar la bomba rápidamente, forzando al fluido a pasar más rápido de lo que puede salir. Pero esto causa un exceso de calor que daña la bomba, y los huecos siguen presentes. Para sellar completamente el tubo y crear el vacío necesario para un espectrómetro de masas, el mecanismo debe ejercer fuerza adicional para apretar las áreas abultadas, causando aún más daño.
La solución de MIT: una bomba de vacío miniaturizada por impresión 3D
Los investigadores de MIT volvieron a pensar en el diseño de la bomba peristáltica desde cero, buscando maneras de utilizar la impresión 3D para hacer mejoras. Primero, utilizaron una impresora 3D multimaterial para fabricar el tubo flexible con un material especial hiperelástico que puede soportar una gran cantidad de deformación. Luego, a través de un proceso de diseño iterativo, determinaron que agregar muescas a las paredes del tubo reduciría el estrés en el material cuando se apretaba. Con las muescas, el material del tubo no necesita redistribuirse para contrarrestar la fuerza de los rodillos.
La precisión de fabricación que permite la impresión 3D les permitió producir el tamaño exacto de la muesca necesaria para eliminar los huecos. También pudieron variar el grosor del tubo para que las paredes sean más fuertes en las áreas donde se conectan los conectores, reduciendo aún más el estrés en el material.
Para fabricar la bomba de vacío, imprimieron el tubo completo en una sola pasada, lo que es importante ya que el montaje posterior puede introducir defectos que causan fugas. Para hacerlo, tuvieron que encontrar una manera de imprimir el tubo estrecho y flexible verticalmente sin que se tambaleara durante el proceso. Al final, crearon una estructura liviana que estabiliza el tubo durante la impresión pero que se puede quitar fácilmente más tarde sin dañar el dispositivo.
Ventajas y avances de la bomba de vacío miniaturizada por impresión 3D
Cuando probaron su diseño final, los investigadores descubrieron que era capaz de crear un vacío que tenía una presión de orden de magnitud menor que las bombas de diafragma más avanzadas. Una presión menor produce un vacío de mayor calidad. Para alcanzar ese mismo vacío con las bombas de diafragma estándar, se necesitaría conectar tres en serie.
La bomba alcanzó una temperatura máxima de 50 grados Celsius, la mitad de las bombas de última generación utilizadas en otros estudios, y solo requirió la mitad de la fuerza para sellar completamente el tubo.
El uso de la impresión 3D permitió a los investigadores producir prototipos agresivamente, lo que no sería posible en un ambiente de sala limpia, donde se fabrican muchas de estas bombas miniaturizadas. Además, cada diseño se puede imprimir en cuestión de horas, lo que facilita la realización de mejoras.
En general, este avance en la creación de bombas de vacío miniaturizadas por impresión 3D tiene el potencial de hacer que los espectrómetros de masas portátiles sean más accesibles y asequibles. Esto podría ser especialmente útil para monitorear la contaminación del suelo en áreas remotas, como también para equipos de exploración geológica enviados al espacio, como a Marte. La capacidad de crear rápidamente nuevos diseños a través de la impresión 3D también puede llevar a mejoras continuas y a soluciones a problemas en otros campos.
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