研究者が小型真空ポンプを 3D プリント

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質量分析計は、飲料水の安全性の評価から患者の血液中の毒素の検出まで、多くの用途に使用できる非常に正確な化学分析装置です。 しかし、遠隔地に配備できる安価でポータブルな質量分析計を構築することは、低コストで動作させるために必要な真空ポンプの小型化が難しいこともあり、依然として課題が残っている。

MIT の研究者は積層造形を利用して、この問題の解決に向けて大きな一歩を踏み出しました。 彼らは、蠕動ポンプとして知られる一種の真空ポンプの小型バージョンを 3D プリントしました。そのサイズは人間の拳ほどの大きさです。

同社のポンプは、真空を作り出すために液体を必要とせず、大気圧で動作できる、いわゆるドライ粗引きポンプよりも一桁低い圧力の真空を生成および維持できます。 マルチマテリアル 3D プリンタでワンパスで印刷できる研究者のユニークなデザインは、ポンピングプロセス中の摩擦による熱を最小限に抑えながら、液体やガスの漏れを防ぎます。 これにより、デバイスの寿命が長くなります。

このポンプは、たとえば世界の孤立した地域の土壌汚染を監視するために使用されるポータブル質量分析計に組み込むことができます。 軽量ポンプを宇宙に打ち上げる方が安価であるため、この装置は火星向けの地質調査装置での使用にも理想的である可能性がある。

「私たちが話しているのは、非常に高性能でありながら、非常に安価なハードウェアについてです」と、MIT マイクロシステム技術研究所 (MTL) の主任科学者であり、新しいポンプについて説明した論文の主著者であるルイス フェルナンド ベラスケス ガルシア氏は述べています。 「質量分析計を使用すると、部屋にある体重 500 ポンドのゴリラが常にポンプの問題になります。 ここで示したものは画期的ですが、3D プリントだからこそ可能なことです。 これを標準的な方法で実行したかった場合は、それに近づくことはできなかったでしょう

ベラスケス＝ガルシア氏には、元MIT博士研究員である筆頭著者ハン・ジュ・リー氏も論文に参加している。 ホルヘ・カニャーダ・ペレス・サラ氏は電気工学およびコンピューターサイエンスの大学院生です。 この論文は今日、Additive Manufacturing 誌に掲載されます。

ポンプの問題

サンプルが質量分析計に送られると、サンプルから電子が剥ぎ取られ、原子がイオンに変わります。 電磁場は真空中でこれらのイオンを操作し、その質量を決定できます。 この情報を使用して、サンプルの成分を正確に特定できます。 イオンが空気中のガス分子と衝突すると、その力学が変化し、分析プロセスの特異性が低下し、誤検知が増加するため、真空を維持することが重要です。

蠕動ポンプは、反応性化学薬品など、ポンプのコンポーネントを汚染する可能性のある液体または気体を移動するために一般的に使用されます。 また、血液など、清潔に保つ必要がある液体を送り出すためにも使用されます。 ポンプで送り出される物質は、一連のローラーの周りに巻き付けられた柔軟なチューブ内に完全に含まれています。 ローラーは回転しながらチューブをハウジングに押し付けます。 チューブの挟まれた部分がローラーの影響で膨張し、チューブ内に液体または気体を引き込む真空が生成されます。

これらのポンプは真空を生成しますが、設計上の問題により、質量分析計での使用は制限されています。 ローラーによって力が加えられるとチューブの材料が再分配され、漏れの原因となる隙間が生じます。 この問題は、ポンプを急速に動作させ、流体が漏れるよりも早く押し出すことで解決できます。 しかし、これにより過剰な熱が発生し、ポンプが損傷し、隙間が残ります。 チューブを完全に密閉し、質量分析計に必要な真空を作り出すには、機構が膨らんだ部分を圧迫するために追加の力を加える必要があり、より多くの損傷を引き起こすとベラスケス・ガルシア氏は説明します。