La fabricación de semiconductores y muchas otras operaciones industriales implican procesos de limpieza, y desde el punto de vista ambiental y de salud, es muy deseable utilizar técnicas de limpieza física como chorros de líquido o ultrasonido subacuático en lugar de productos químicos tóxicos.
Sorprendentemente, los investigadores especializados en ingeniería mecánica no han prestado mucha atención a los problemas de limpieza física. Pero ahora, los ingenieros mecánicos especializados en el mecanismo de movimiento de fluidos en la Universidad de Keio, en Japón, han revelado la física subyacente de lo que sucede cuandoLas colisiones con chorro de líquido golpean las superficies a limpiar.
Para hacer esto, los ingenieros utilizaron una simulación de dinámica de fluidos para estudiar el impacto de las gotas de agua contra una pared rígida seca / húmeda como ejemplo canónico. Informan su trabajo en el diario Física de fluidos , de AIP Publishing.
"En la fabricación de semiconductores, las partículas contaminantes de menor tamaño deben eliminarse de las obleas de silicio a medida que los dispositivos se miniaturizan aún más", dijo Keita Ando, profesora asistente de ingeniería mecánica en la Universidad de Keio. "El impacto de gotas de alta velocidad se ve favorecido cuandose trata de eliminar partículas de tamaños muy pequeños, del orden de 10 nanómetros, pero puede causar erosión de la superficie ".
Por lo tanto, es necesario considerar los efectos de la viscosidad y la compresibilidad del fluido sobre la dinámica del impacto. "El fluido es viscoso, por lo que produce una fricción mecánica que desempeña un papel esencial en la eliminación de partículas", dijo. "Además, el fluido es compresible, lo que significa que produce un golpe de golpe de ariete por el impacto que puede terminar causando daños en la superficie ".
La dinámica de fluidos computacional CFD que tiene en cuenta tanto la viscosidad como la compresibilidad es un gran desafío, por lo que los ingenieros realizaron la primera simulación conocida de flujo viscoso y compresible para examinar cuidadosamente la dinámica de impacto de gotas de alta velocidad ". Los fenómenos son de pequeño tamaño ymuy rápido; es muy difícil resolverlos con las técnicas experimentales actuales ", dijo Ando.
¿Por qué es tan significativo este enfoque de simulación? Permite identificar una relación de compensación entre un rendimiento de limpieza eficiente, también conocido como eficiencia de eliminación de partículas, y una limpieza sin daños.
"Nuestro enfoque puede usarse para cuantificar la fuerza de fricción y la presión de impacto del golpe de ariete", dijo Ando. "Son útiles para explorar valores óptimos de la velocidad de impacto, por ejemplo, dadas las propiedades de las partículas contaminantes, incluido el tamaño. El impacto directo delas gotas de agua contra superficies secas producen una alta fricción y presión de impacto, lo que implica una limpieza eficiente pero erosiva ".
En su simulación, los ingenieros exploraron el caso de la introducción inicial de una película de agua que cubre la superficie de limpieza. Sus resultados muestran que esta película puede amortiguar el impacto de las gotas, que es crucial para una limpieza menos erosiva.
"Las técnicas de limpieza respetuosas con el medio ambiente, incluido el chorro de agua y la ecografía subacuática, desempeñarán un papel más importante en el futuro. Su avance tecnológico siempre se ha visto obstaculizado por la falta de comprensión de la física subyacente, que ahora se puede entender,"dijo Ando." Además, más allá de la investigación experimental, el enfoque CFD es una herramienta esencial cuando se trata de la cuantificación del flujo de fluido ".
El artículo, "Simulación del impacto de gotas de alta velocidad contra una pared seca / húmeda para comprender el mecanismo de la limpieza por chorro de líquido", es escrito por Tomoki Kondo y Keita Ando. Aparecerá en Physics of Fluids el 29 de enero de 2019.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Instituto Americano de Física . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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