Universiteit Twente

Explosie op chip zet vloeistof in beweging

Promovendus Dennis van den Broek van de Universiteit Twente heeft een nieuw type miniatuurmotor ontwikkeld, de microbellenactuator. Deze `motor', die bijvoorbeeld toegepast kan worden bij laboratoria ter grootte van een chip, zet de energie die vrijkomt bij explosieve verdamping om in beweging. Van den Broek promoveert op 31 oktober aan de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica.

Een (micro)actuator is een apparaat dat energie, zoals magnetische of warmte-energie, omzet in een beweging. Er bestaan veel verschillende typen microactuatoren, elk met zijn eigen voor- en nadelen. Vaak zijn actuatoren snel of krachtig, maar hebben ze niet beide eigenschappen. Van den Broek ontwierp echter een microactuator die zowel snel als krachtig is. Hij maakte hierbij gebruik van warmte die de microactuator omzet in een beweging.

De microactuator die Van den Broek ontwikkelde bestaat uit een met vloeistof gevulde holte (bijvoorbeeld ethanol), met onderin een verwarmer. De holte is afgesloten door een membraan, een dun vliesje dat het systeem sluit. Actuatoren vind je onder andere terug in de `lab-on-a-chip', een klein chemisch laboratorium ter grootte van een chip. Om vloeistoffen door de kanaaltjes te pompen zijn ook pompjes en kleppen van gelijke grootte nodig. De microactuator die Van den Broek ontwikkelde, kan hier een sleutelrol in vervullen.

Microbellenactuator

Om de nieuwe actuator krachtig en snel te maken, gebruikte Van den Broek een veelbelovende techniek die gebaseerd is op explosieve verdamping. Explosieve verdamping vindt plaats wanneer een vloeistof wordt blootgesteld aan een hoge temperatuur. In enkele microseconden bereikt de vloeistof een temperatuur dicht bij het kritisch punt, ver boven het kookpunt onder normale omstandigheden. Bij deze temperatuur verdampt de vloeistof, dat kenmerkt zich door de vorming van een groot aantal belletjes in de vloeistof, zoals water dat kookt. De ontstane belletjes zullen zich bijna direct samenvoegen tot een damplaag. De druk die daarbij ontstaat, wordt gebruikt om een membraan bol te laten staan. Door de bolling van het membraan komt de bovenliggende vloeistof of gas in beweging.

Versimpelde versie van de door Van den Broek ontwikkelde microbellen-actuator. In het rechterplaatje is te zien dat door de gevormde bel bij de verwarmer, het membraan bol gaat staan.

Versimpelde versie van de door Van den Broek ontwikkelde microbellenactuator. In het rechterplaatje is te zien dat door de gevormde bel bij de verwarmer, het membraan bol gaat staan.

Doordat het ontstaan van bellen plaats vindt in een klein volume, is de actuator snel. Van den Broek stuurde minimaal elke 0,1 milliseconde een warmtepuls door de verwarmer. Dit houdt in dat er 10.000 keer per seconde een bel wordt gevormd en het membraan bol komt te staan. Gecombineerd met de grote druk die gegenereerd kan worden door de hitte, is de actuator ook krachtig.

Micro-pompen

De nieuwe actuator kan gebruikt worden als een pompje in een micro-fluidisch systeem, waarvan de `lab-on-a-chip' een voorbeeld is. De kanaaltjes, waar de vloeistof doorheen moet stromen wordt door de bolling samengeknepen, waardoor de vloeistof snelheid krijgt. Door genoeg van deze microactuatoren achter elkaar te plaatsen en ze in de juiste volgorde te activeren, blijft de vloeistof stromen.