Des chercheurs impriment en 3D une pompe à vide miniature

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Les spectromètres de masse sont des analyseurs chimiques extrêmement précis qui ont de nombreuses applications, depuis l'évaluation de la sécurité de l'eau potable jusqu'à la détection de toxines dans le sang d'un patient. Mais construire un spectromètre de masse portable et peu coûteux qui pourrait être déployé dans des endroits éloignés reste un défi, en partie à cause de la difficulté de miniaturiser la pompe à vide dont il a besoin pour fonctionner à faible coût.

Les chercheurs du MIT ont utilisé la fabrication additive pour franchir une étape majeure vers la résolution de ce problème. Ils ont imprimé en 3D une version miniature d’un type de pompe à vide, connue sous le nom de pompe péristaltique, qui a à peu près la taille d’un poing humain.

Leur pompe peut créer et maintenir un vide qui a une pression d'un ordre de grandeur inférieure à celle d'une pompe dite sèche et rugueuse, qui ne nécessite pas de liquide pour créer un vide et peut fonctionner à la pression atmosphérique. La conception unique des chercheurs, qui peut être imprimée en un seul passage sur une imprimante 3D multimatériaux, empêche les fuites de fluide ou de gaz tout en minimisant la chaleur due à la friction pendant le processus de pompage. Cela augmente la durée de vie de l'appareil.

Cette pompe pourrait être intégrée à un spectromètre de masse portable utilisé par exemple pour surveiller la contamination des sols dans des régions isolées du monde. L’appareil pourrait également être idéal pour une utilisation dans des équipements d’études géologiques à destination de Mars, car il serait moins coûteux de lancer la pompe légère dans l’espace.

"Nous parlons d'un matériel très bon marché mais également très performant", déclare Luis Fernando Velásquez-García, scientifique principal aux Microsystems Technology Laboratories (MTL) du MIT et auteur principal d'un article décrivant la nouvelle pompe. « Avec les spectromètres de masse, le gorille de 500 livres dans la pièce a toujours été le problème des pompes. Ce que nous avons montré ici est révolutionnaire, mais cela n’est possible que parce qu’il est imprimé en 3D. Si nous avions voulu procéder de manière standard, nous n'aurions pas été à la hauteur

Velásquez-García est rejoint sur l'article par l'auteur principal Han-Joo Lee, ancien postdoctorant du MIT ; et Jorge Cañada Pérez-Sala, étudiant diplômé en génie électrique et informatique. L’article paraît aujourd’hui dans Additive Manufacturing.

Problèmes de pompe

Lorsqu’un échantillon est pompé dans un spectromètre de masse, il est débarrassé de ses électrons pour transformer ses atomes en ions. Un champ électromagnétique manipule ces ions dans le vide afin de déterminer leur masse. Ces informations peuvent être utilisées pour identifier précisément les constituants de l’échantillon. Le maintien du vide est essentiel car, si les ions entrent en collision avec les molécules de gaz de l’air, leur dynamique changera, réduisant ainsi la spécificité du processus analytique et augmentant ses faux positifs.

Les pompes péristaltiques sont couramment utilisées pour déplacer des liquides ou des gaz susceptibles de contaminer les composants de la pompe, tels que des produits chimiques réactifs. Ils sont également utilisés pour pomper des fluides qui doivent rester propres, comme le sang. La substance pompée est entièrement contenue dans un tube flexible enroulé autour d’un ensemble de rouleaux. Les rouleaux serrent le tube contre son logement lors de leur rotation. Les parties pincées du tube se dilatent dans le sillage des rouleaux, créant un vide qui aspire le liquide ou le gaz à travers le tube.

Bien que ces pompes créent un vide, des problèmes de conception ont limité leur utilisation dans les spectromètres de masse. Le matériau du tube se redistribue lorsqu'une force est appliquée par les rouleaux, entraînant des espaces provoquant des fuites. Ce problème peut être surmonté en faisant fonctionner la pompe rapidement, en forçant le fluide à passer plus vite qu'il ne peut s'échapper. Mais cela provoque une chaleur excessive qui endommage la pompe, et les écarts subsistent. Pour sceller complètement le tube et créer le vide nécessaire à un spectromètre de masse, le mécanisme doit exercer une force supplémentaire pour presser les zones bombées, provoquant ainsi davantage de dégâts, explique Velásquez-García.