연구원들이 소형 진공 펌프를 3D 프린팅했습니다.

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질량 분석기는 식수의 안전성 평가부터 환자 혈액 내 독소 검출에 이르기까지 다양한 용도로 사용되는 매우 정밀한 화학 분석기입니다. 그러나 원격 위치에 배포할 수 있는 저렴한 휴대용 질량 분석기를 구축하는 것은 여전히 ​​어려운 일입니다. 부분적으로는 저렴한 비용으로 작동하는 데 필요한 진공 펌프를 소형화하는 것이 어렵기 때문입니다.

MIT 연구원들은 적층 제조를 활용하여 이 문제를 해결하기 위한 중요한 단계를 밟았습니다. 그들은 연동 펌프로 알려진 인간 주먹 크기의 진공 펌프 유형의 소형 버전을 3D 프린팅했습니다.

이들 펌프는 진공을 생성하기 위해 액체가 필요하지 않고 대기압에서 작동할 수 있는 소위 건식 러프 펌프보다 훨씬 낮은 압력의 진공을 생성하고 유지할 수 있습니다. 복합 재료 3D 프린터에서 한 번에 인쇄할 수 있는 연구원의 독특한 디자인은 펌핑 과정에서 마찰로 인한 열을 최소화하면서 유체나 가스의 누출을 방지합니다. 이는 장치의 수명을 증가시킵니다.

예를 들어, 이 펌프는 세계 각지의 고립된 지역에서 토양 오염을 모니터링하는 데 사용되는 휴대용 질량 분석기에 통합될 수 있습니다. 이 장치는 경량 펌프를 우주로 발사하는 것이 더 저렴하기 때문에 화성으로 향하는 지질 조사 장비에 사용하기에 이상적일 수도 있습니다.

MIT 마이크로시스템 기술 연구소(MTL)의 수석 과학자이자 새로운 펌프를 설명하는 논문의 수석 저자인 Luis Fernando Velásquez-García는 “우리는 매우 성능이 뛰어난 매우 저렴한 하드웨어에 대해 이야기하고 있습니다.”라고 말했습니다. “질량 분석기를 사용하면 방에 있는 500파운드 고릴라가 항상 펌프 문제였습니다. 우리가 여기서 보여준 것은 획기적이지만 이는 3D 프린팅이기 때문에 가능합니다. 우리가 이것을 표준 방식으로 하고 싶었다면 우리는 근처에도 가지 않았을 것입니다

Velásquez-García는 전 MIT 박사후 연구원이었던 수석 저자인 이한주(Han-Joo Lee)가 논문에 합류했습니다. 전기공학 및 컴퓨터 과학 대학원생인 Jorge Cañada Pérez-Sala도 있습니다. 이 논문은 오늘 Additive Manufacturing에 실렸습니다.

펌프 문제

샘플이 질량 분석기를 통해 펌핑되면 전자가 제거되어 원자가 이온으로 전환됩니다. 전자기장은 진공 상태에서 이러한 이온을 조작하여 질량을 결정할 수 있습니다. 이 정보는 샘플의 성분을 정확하게 식별하는 데 사용될 수 있습니다. 이온이 공기 중의 가스 분자와 충돌하면 역학이 변하여 분석 과정의 특이성이 감소하고 위양성(false positives)이 증가하므로 진공을 유지하는 것이 중요합니다.

연동 펌프는 일반적으로 반응성 화학 물질과 같이 펌프 구성 요소를 오염시키는 액체나 가스를 이동하는 데 사용됩니다. 또한 혈액처럼 깨끗하게 유지해야 하는 체액을 펌핑하는 데에도 사용됩니다. 펌핑되는 물질은 롤러 세트 주위에 고리 모양으로 감겨 있는 유연한 튜브 내에 완전히 담겨 있습니다. 롤러는 회전하면서 튜브를 하우징에 밀어 넣습니다. 튜브의 조여진 부분은 롤러의 뒤를 따라 팽창하여 튜브를 통해 액체나 가스를 끌어들이는 진공을 생성합니다.

이러한 펌프는 진공을 생성하지만 설계 문제로 인해 질량 분석기에서의 사용이 제한되었습니다. 롤러에 힘이 가해지면 튜브 재료가 재분배되어 누출을 일으키는 틈이 생깁니다. 이 문제는 펌프를 빠르게 작동하여 유체가 누출되는 것보다 더 빠르게 유체를 통과시켜 극복할 수 있습니다. 그러나 이로 인해 과도한 열이 발생하여 펌프가 손상되고 틈이 남게 됩니다. 튜브를 완전히 밀봉하고 질량 분석기에 필요한 진공을 생성하려면 메커니즘이 부풀어오른 부분을 압박하기 위해 추가적인 힘을 가해야 하며 이로 인해 더 많은 손상이 발생한다고 Velásquez-García는 설명합니다.