Gli spettrometri di massa sono analizzatori chimici estremamente precisi che trovano molte applicazioni, dalla valutazione della sicurezza dell’acqua potabile alla rilevazione di tossine nel sangue di un paziente. Ma la costruzione di uno spettrometro di massa economico e portatile, che possa essere utilizzato in luoghi remoti rimane una sfida, in parte a causa della difficoltà di miniaturizzare la pompa a vuoto di cui ha bisogno per funzionare. I ricercatori del MIT hanno utilizzato la fabbricazione additiva (un processo industriale impiegato per fabbricare oggetti partendo da modelli 3D computerizzati, aggiungendo uno strato sopra l’altro) per compiere un importante passo avanti verso la soluzione del problema. Hanno stampato in 3D una versione in miniatura di un tipo di pompa per il vuoto, nota come pompa peristaltica, che ha le dimensioni di un pugno umano. La pompa è in grado di creare e mantenere un vuoto con una pressione di un ordine di grandezza inferiore rispetto a un altro tipo di pompa comunemente utilizzato. Il design unico, che può essere stampato in un solo passaggio su una stampante 3D multimateriale, impedisce la fuoriuscita di fluidi o gas e riduce al minimo il calore dovuto all’attrito durante il processo di pompaggio. Ciò aumenta la durata del dispositivo. Questa pompa potrebbe essere incorporata in uno spettrometro di massa portatile utilizzato, ad esempio, per monitorare la contaminazione del suolo in zone isolate del mondo. Il dispositivo potrebbe anche essere ideale per l’uso in apparecchiature di rilevamento geologico destinate a Marte, poiché sarebbe più economico lanciare la pompa leggera nello spazio. “Stiamo parlando di un hardware molto economico che è anche molto capace. Quello che abbiamo mostrato qui è innovativo, ma è possibile solo perché è stampato in 3D. Se avessimo voluto farlo in modo standard, non ci saremmo mai andati vicino“, afferma Luis Fernando Velásquez-García, scienziato principale dei Microsystems Technology Laboratories (MTL) del MIT e autore di un articolo che descrive la nuova pompa. Velásquez-García è affiancato dall’autore Han-Joo Lee del MIT, e da Jorge Cañada Pérez-Sala, studente laureato in ingegneria elettrica e informatica. L’articolo è pubblicato su Additive Manufacturing.
Problemi di pompaggio
Quando un campione viene pompato attraverso uno spettrometro di massa, viene colpito da una carica elettrica che trasforma gli atomi in ioni. Un campo elettromagnetico manipola questi ioni nel vuoto per determinarne la massa. Queste informazioni possono essere utilizzate per identificare le molecole del campione. Il mantenimento del vuoto è fondamentale perché se gli ioni si scontrano con le molecole di gas dell’aria, la loro dinamica cambia. Le pompe peristaltiche sono comunemente utilizzate per spostare fluidi o gas che potrebbero contaminare i componenti della pompa, come le sostanze chimiche reattive. La sostanza è interamente contenuta in un tubo flessibile che viene avvolto da una serie di rulli. I rulli, ruotando, schiacciano il tubo contro il suo alloggiamento. Le parti del tubo schiacciate si espandono sulla scia dei rulli, creando un vuoto che attira il liquido o il gas attraverso il tubo. Quando un campione viene pompato attraverso uno spettrometro di massa, viene colpito da una carica elettrica che trasforma gli atomi in ioni. Un campo elettromagnetico manipola questi ioni nel vuoto per determinarne la massa. Queste informazioni possono essere utilizzate per identificare le molecole del campione. Il mantenimento del vuoto è fondamentale perché se gli ioni si scontrano con le molecole di gas dell’aria, la loro dinamica cambia. Le pompe peristaltiche sono comunemente utilizzate per spostare fluidi o gas che potrebbero contaminare i componenti della pompa, come le sostanze chimiche reattive. La sostanza è interamente contenuta in un tubo flessibile che viene avvolto da una serie di rulli (roller). I rulli, ruotando, schiacciano il tubo contro il suo alloggiamento. Le parti del tubo schiacciate si espandono sulla scia dei rulli, creando un vuoto che attira il liquido o il gas attraverso il tubo. In futuro, i ricercatori intendono esplorare modi per ridurre ulteriormente la temperatura massima, il che consentirebbe al tubo di azionarsi più velocemente, creando un vuoto migliore e aumentando la portata. Stanno inoltre lavorando per stampare in 3D un intero spettrometro di massa miniaturizzato. Mentre sviluppano questo dispositivo, continueranno a mettere a punto le specifiche della pompa peristaltica. “Alcune persone pensano che quando si stampa in 3D qualcosa ci debba essere un qualche tipo di compromesso. Ma il nostro gruppo ha dimostrato che non è così. Si tratta davvero di un nuovo paradigma. La manifattura additiva non risolverà tutti i problemi del mondo, ma è una soluzione che ha un futuro reale“, afferma Velásquez-García.
Una soluzione additiva
Il team di ricerca ha ripensato il progetto della pompa peristaltica dal basso verso l’alto, alla ricerca di modi per utilizzare la produzione additiva per apportare miglioramenti. In primo luogo, utilizzando una stampante 3D multimateriale, sono riusciti a realizzare il tubo flessibile con uno speciale tipo di materiale iperelastico in grado di sopportare un’enorme quantità di deformazioni. Poi, attraverso un processo di progettazione iterativa, hanno stabilito che l’aggiunta di intagli alle pareti del tubo avrebbe ridotto le sollecitazioni sul materiale quando viene schiacciato. Con gli intagli, il materiale del tubo non deve ridistribuirsi per contrastare la forza dei rulli. La precisione offerta dalla stampa 3D ha permesso ai ricercatori di produrre le dimensioni esatte degli intagli necessari per eliminare gli spazi vuoti. Inoltre, hanno potuto variare lo spessore del tubo in modo che le pareti siano più robuste nelle aree in cui si attaccano i connettori, riducendo ulteriormente lo stress sul materiale. Utilizzando una stampante 3D multimateriale, hanno stampato l’intero tubo in un unico passaggio, un aspetto importante poiché il post-assemblaggio può introdurre difetti che possono causare perdite. A tal fine, hanno dovuto trovare un modo per stampare il tubo stretto e flessibile in verticale, evitando che si muovesse durante il processo. Alla fine, hanno creato una struttura leggera che stabilizza il tubo durante la stampa, ma che può essere facilmente staccata in seguito senza danneggiare il dispositivo.
Portatile, ma performante
Quando hanno testato il progetto finale, i ricercatori hanno scoperto che era in grado di creare un vuoto con una pressione inferiore di un ordine di grandezza rispetto alle pompe a membrana più moderne. Una pressione più bassa produce un vuoto di qualità superiore. Per raggiungere la stessa pressione con le pompe standard, sarebbe necessario collegarne tre in serie, spiega Velásquez-García. La pompa ha raggiunto una temperatura massima di 50 gradi Celsius, la metà di quella delle pompe all’avanguardia utilizzate in altri studi, e ha richiesto solo la metà della forza per sigillare completamente il tubo. In futuro, i ricercatori intendono esplorare modi per ridurre ulteriormente la temperatura massima, che consentirebbe al tubo di azionarsi più velocemente, creando un vuoto migliore e aumentando la portata.
