Echipa proiectului

Dr Mihaela Sofronie - director proiect , CSIII, INCDFM, ID Brainmap: U-1700-035N-9608.

Dr. Felicia Tolea – membru, CSIII, INCDFM, ID Brainmap: U-1700-034X-9608

Dr. Bogdan Popescu - membru, CS, INCDFM, U-1700-030K-4974

Dr. Monica Enculescu - membru, CSI, INCDFM, ID Brainmap: U-1700-038C-9631

Dr. Anda-Elena Stanciu - membru, ACS,INCDFM, ID Brainmap: U-1800-046A-7559

REZUMAT RAPORT FINAL

In cadrul proiectului Benzi feromagnetice cu memoria formei ca elemente active in micropompa fara contact, probe sub forma de benzi metalice sunt realizate pentru a fi utilizate sub forma de componente de baza in micropompa de laborator, fara contact.  Necesitatile impuse in special de domeniul aplicatiilor biologice, de administrare de medicamente pentru sistemelor microfluidice, a impus necesitatea realizarii de micropompe care pot furniza volume fluidice de ordinul nanolitrilor si picolitrilor, repetabile, scalabile si reversibile. Benzile metalice cu memoria formei  pe baza de Ni-Mn-Ga cu si fara substituti de Co preparate printr-o metoda neconventionala care presupune racirea ultrarapida a topiturii ejectate printr-o fanta dreptunghiulara pe un tambur rotitor s-au dovedit viabile pentru realizarea acestui scop.  Aceasta metoda permite obtinerea de benzi cu dimensiuni predefinite, in faza martensitica la temperatura camerei, cu structura columnara in sectiunea transversala (Inset.a) care elimina procesarile mecanice ulterioare. Orientarea axelor cristalografice ale structurii cristaline, indusa de procedeul de obtinerea a benzilor feromagnetice permite obtinerea unor deformari scalabile, repetitive si reversibile sub actiunea unui camp magnetic multidirectional al unui magnet permanent magnetizat diametral plasat perpendicular pe sectiunea transversala a acestora (Fig.a).

                                           (a)

(b)

Fig. Dependenta deformarilor induse in sectiunea transversala a benzilor feromagnetice cu memoria formei (Inset.a) de actiunea campului magnetic multidirectional generat de magnetul permanent cilindric diametral magnetizat (a); Dependenta debitului de lichid transportat de frecventa de rotatie a magnetului permanent diametral magnetizat (b) prin canalul fluidic creat de probele benzi feromagnetice cu memoria formei selectate ca demonstratori in micropompa de laborator (Inset.b).

Astfel, un beneficiu important este ca benzile feromagnetice, in contact direct cu fluidul pompat din micropumpa, sunt controlate total de mecanismul de actionare (magnetul permanent) care este separat fizic de elementul insusi. In interiorul micropompei, elementul „in miscare” este contractia din sectiunea transversala a benzii care urmeaza rotatia campului magnetic si astfel transporta volumul de lichid la iesire (Inset.b). Cavitatea formata se deplaseaza cu directia campului magnetic si astfel directia de curgere poate fi inversata schimband directia de rotatie a campului magnetic aplicat. Astfel, rotirea axiala a magnetului permanent modifica orientarea polilor magnetici si repozitioneaza cavitatea, miscandu-o continuu de la un capat la celalalt al probei. Aceasta cavitate urmeaza polii in directia in care magnetul este rotit. In micropompa, proba formeaza un canal etans si cavitatea indusa poate transporta fluidul de la o intrare, situata la un capat al elementului, la o iesire situata la celalalt capat, functionand in mod analog cu o pompa peristaltica, dar fara contacte directe.  Grosimea benzilor feromagnetice, diametrul magnetului permanent utilizat si distanta dintre ele determina volumul de fluidului transferat, ceea ce permite utilizarea benzilor cu grosimi diferite pentru a transporta lichide cu proprietati diferite. Simularea actiunii densitatii de flux magnetic generata de magnetul permanent cilindric diametral magnetizat asupra structurii columnare cu faza martensitica din sectiunea transversala a benzilor a permis determinarea distantei optime proba-magnet permanent, pentru indeplinirea obiectivelor. Sistemul de masura proiectat pentru testarea viabilitatii benzilor feromagnetice cu memoria formei pe baza de Ni-Mn-Ga cu si fara substitutie de Co, utilizate ca elemente active in micropompa de laborator a permis estimarea debitul de fluid transportat cu valori de ordinul nanolitrilor pe minut (Fig.b), scalabil, repetabil si reversibil pentru fiecarei micropompe avand ca demonstratori probe cu cele mai bune caracteristici impuse, permitand adaptarea la necesitatile impuse de aplicatii.

Rezultatele obtinute in cadrul proiectului au subliniat disponibilitatea tehnologiilor de procesare a configuratiilor de flux individuale si integrate cu scale de grosime de ordinul zecilor de microni care permit realizarea unor dispozitive portabile ieftine, fara contacte directe, capabile sa indeplineasca sarcini analitice simple necesare, cerute de dezvoltarea rapida din biologie si biotehnologie, unde manipularile pe scara lungimii celulare si capacitatea de a detecta/manipula volume foarte mici (nanolitri si picolitri) ofera avantaje semnificative.

REZUMAT ETAPA 1 

Proiectul BENZI FEROMAGNETICE CU MEMORIA FORMEI CA ELEMENTE ACTIVE IN MICROPOMPA FARA CONTACT are ca obiectiv general acela de a genera demonstratori sub forma masiva si/sau benzi cu caracteristici multifuncționale extinse și/sau complementare, cu potențial de utilizare ca componente de bază in micropompe de laborator utilizand aliaje feromagnetice cu memoria  formei pe baza de Ni-Mn-Ga.

Etapa 1/2020 are ca obiectiv principal procesarea materialelor sub forma masiva si benzi, si caracterizarea structurala, magnetica si magnetostrictiva pentru stabilirea raspunsului compozitie – magnetostrictiune  ale acestora. Acest obiectiv a fost realizat in cadrul urmatoarelor activitati:

• Procesarea probelor masive si benzi supuse ulterior tratamentelor termice. Set de probe preliminare
• Caracterizari structurale (DSC si XRD) preliminare pentru identificarea indeplinirii parametrilor de aliaj feromagnetic cu memoria formei pentru probele masive si benzi.
• Studiul parametrilor morfologici (SEM – EDX), a proprietatilor magnetice (SQUID – PPMS) si magnetostrictive pentru probele masive/benzi, gata – preparate/tratate termic cu caracteristici optime selectate. Stabilirea raspunsului compozitie – magnetostrictiune pentru probele masive/benzi.

In aceasta etapa au fost realizate pentru compusii Ni₅₁Mn₂₈Ga₂₁, Ni₄₉Mn₃₁Ga₂₀ , Ni₄₈Mn₂₉Co₃Ga₂₀, Ni₄₇Mn₃₀Co₃Ga₂₀, 2 seturi de probe: masive realizate printr-o metoda clasica (topire in arc electric urmata de tratament termic) si benzi obtinute printr-o metoda neconventionala”melt-spinning” (racire ultrarapida din topitura), gata-preparate si tratate termic.

Au fost prezentate succint metodele de procesare ale probelor, metoda topirii in arc electric si metoda topirii ultrarapide din topitura cu schemele corespunzatoare. Analiza termica diferentiala (DSC) a indicat ca probele masive tratate termic prezinta, cu o exceptie - Ni₄₉Mn₃₁Ga₂₀-bulk (temperatura transformare martensitica < temperatura camerei < temperatura Curie) - transformare martensitica la temperaturi superioare temperaturii mediului ambiant si mai mici decat temperaturile ordine-dezordine magnetica-temperatura Curie, ceea ce le incadreaza in categoria aliajelor feromagnetice cu memoria de forma cu faza martensitica la temperatura camerei. De asemenea, pentru probele benzi cu e/a=7.67 (Ni₅₁Mn₂₈Ga₂₁ si Ni₄₇Mn₃₀Co₃Ga₂₀) s-au determinat temperaturi ale transformarii martensitice mai mici fata de cele determinate in probele bulk cu aceeasi compozitie, in timp ce pentru e/a~7.70 (Ni₄₉Mn₃₁Ga₂₀ si Ni₄₈Mn₂₉Co₃Ga₂₀) efectul este invers. Acelasi trend este pastrat si dupa tratamentul termic efectuat asupra probelor benzi, ca efect al ordonarii atomice care implica o creştere a entalpiei transformarii. De asemenea se observa pentru toate probele o scadere a temperaturii Curie odata cu realizarea probelor sub forma de benzi si pastrarea acestora in categoria aliajelor feromagnetice cu memoria formei.

Difractia de raze X a confirmat concluziile analizei termice diferentiale, cu evidentierea la temperatura camerei a existentei fazei martensitice cu structura tetragonala nemodulata, exceptie facand Ni₄₉Mn₃₁Ga₂₀-bulk cu structura cristalina L2₁ caracteristica fazei austenitice. Morfologia de varianti tipica martensitei a fost indicata prin microscopie electronica de baleiaj si mai mult decat atat, in cazul probelor benzi este confirmata obtinerea microstructurii columnare pe grosimea acestora, un indicator al unei structure puternic texturate. Din punct de vedere magnetic este evidentiat caracterul magnetic moale, atat in faza austenitica cat si martensitica pentru toate probele masive si benzi. Masuratorile magnetice au completat/confirmat valorile indicate si pentru temperatura Curie, permitand indicarea corecta a caracterului ferromagnetic al aliajelor cu memoria formei studiate. Studiul efectului magnetostrictiv a aratat o crestere a deformarilor induse magnetic, fara saturatie pana la valori ale campului magnetic de 3 T, asa cum s-a remarcat si in cazul dependentei de camp a magnetizarii pentru toate probele. In faza martensitica deformarile au valori negative cu crestere spre valori pozitive atunci cand probele sunt in faza austenitica (Ni₄₉Mn₃₁Ga₂₀-bulk). Dintre probele bulk se detaseaza Ni₄₇Mn₃₀Co₃Ga₂₀ prin deformari induse magnetic de - 60 ppm la temperatura camerei ca urmare a fazei tetragonale nemodulata (NM), fata de - 20 ppm indicata pentru ceilalti compusi sub forma bulk care sunt in faza austenitica (Ni₄₉Mn₃₁Ga₂₀) sau prezinta resturi de structura cristalina L2₁ specifica austenitei in martensita, la temperatura camerei (Ni₅₁Mn₂₈Ga₂₁). In cazul probelor sub forma de benzi Ni₄₇Mn₃₀Co₃Ga₂₀ –TT, cu structura martensitica nemodulata (NM) s-au obtinut valori pana la - 60 ppm, plecandu-se de la - 25 ppm in cazul probelor gata preparate. Pe langa acestea, in probele benzi Ni₅₁Mn₂₈Ga₂₁-TT, unde a fost indicata prin difractie de raze X, cea mai mare pondere de faza martenistica modulata 5M, valorile sunt moderate (~ - 25 ppm) pentru aceasta configuratie de masura (campul magnetic aplicat paralel cu lungimea probei).

Pagina web:  https://infim.ro/project/benzi-feromagnetice-cu-memoria-formei-ca-elemente-active-in-micropompe-fara-contact/ a fost creata pentru acest proiect.

In concluzie, obiectivele si activitatile propuse pentru Etapa I/2020 au fost realizate.

REZUMAT ETAPA 2 

Etapa 2/2021 are ca obiectiv principal selectarea probelor benzi cu proprietati optime utilizarii ca demonstrator in camp magnetic variabil si realizarea micropompei in laborator. Acest obiectiv a fost realizat in cadrul urmatoarelor activitati:

• Studiul deformarilor induse de o distributie de camp magnetic variabil asupra probelor benzi pentru utilizarea intr-un un sistem magnetostrictiv adaptat. Simularea deformarii locale induse de distributia de camp magnetic.
• Selectarea probelor benzi cu proprietati optime utilizarii ca demonstrator in urma analizarii raspunsului compozitie optima-magnetostrictiune in camp magnetic variabil.
• Asamblarea micropompei in laborator si evaluarea deformarii induse de distributia de camp magnetic variabil al magnetului cilindric asupra probelor benzi selectate.

In aceasta etapa, pentru probele benzi feromagnetice cu memoria formei pe baza de Ni-Mn-Ga cu si fara substitutii, gata preparate si tratate termic s-a realizat un sistem magnetostrictiv adaptat pentru obtinerea deformarile induse de un camp magnetic in doua configurati diferite (paralela si perpendiculara) similar cu cel existent intr-un magnet cilindric magnetizat diametral. Pentru largirea domeniul de aplicabilitate al benzilor ca elemente active in micropompe, masuratorile magnetostrictive s-au realizat pe un interval larg de valori de camp magnetic (pana la 3T) si de temperaturi (± 30^oC), ultimul centrat pe temperatura camerei. Utilizand aceste deformari s-a propus o modalitate de calcul a volumului contractiei in probele benzi pentru temperaturi si campuri magnetice diferite. Masurarea deformarilor in cele doua configuratii si calcului volumului contractiei permite evaluarea cantitativa preliminara a contractiei in benzi, reprezentand un instrument puternic pentru indicarea potentialului oricaror probelor ca elemente active in micropompa. Daca pentru probele tratate termic volumul contractiei creste linear cu scaderea temperaturii, in intervalul 0.5 - 110·10^-3 µm³, in benzile gata-preparate, dezordinea atomica inghetata in proba din timpul procesarii induce variatii cu mult mai bruste (pana la 135 ·10^-3 µm³).

A fost realizata simularea actiunii densitatii de flux magnetic impusa de magnetul permanent cilindric diametral magnetizat asupra probelor banda, in stare martensitica. Aceasta indica actiunea componentei de camp magnetic vertical suficient de mare in sectiunea de contractie pentru a orienta axa cristalografica scurta c in directia verticala si, in acelasi timp, componenta campului magnetic orizontala suficient de mare pentru orientare in aceasta directie pe ambele parti ale contractiei, pentru o distanta magnet - proba de 1mm. Astfel s-a definit distanta optima magnet-proba utilizata in masuratorile in camp magnetic variabil, fiind considerata element cheie in proiectarea dimensiunilor micropompei.

Micropompa de laborator a fost proiectata si elementele componente au fost realizate prin imprimare 3D in conformitate cu cerintele impuse de dimensiunile probelor si a magnetului cilindric. Etapele asamblarii acesteia sunt descrise pe larg rezultand un dispozitiv autonom, care nu necesita contacte electrice si este alimentat extern de un camp magnetic. Aceste calitati impun micropompa ca un dispozitiv microfluidic care se preteaza la integrare simpla in sistemele microfluidice.

S-a proiectat si realizat un sistem de masura al deformarilor induse de magnetul permanent cilindric magnetizat diametral, care imita conditiile din micropompa propunandu-se o metoda de obtinere a unei evaluari calitative a evolutiei contractiei pe lungimea probelor prin masuratori magnetostrictive efectuate cu senzori de deformare atasati. Daca in cazul probele benzi pe baza de Ni-Mn-Ga tratamentul termic de 1h la 400^oC a impus o cresterea a valorii contractiei, ca urmare a ordonarii atomice in structura martensitica, pentru probele cu substitutii (Ni48Ga20 si Ni47Ga20) comportamentul este diferit, obtinandu-se o scadere. Astfel, pentru benzile Ni47Ga20 gata-preparate deformarile mici (17 ppm) au o scadere importanta odata cu tratamentul termic (4 ppm), in timp valorile de 50 ppm pentru Ni48Ga20-AP au o scadere usoara la 45 ppm. Se remarca faptul ca, desi valorile sunt mici, specifice probelor sub forma de banda, acestea isi pastreaza precizia si in urma masuratorilor efectuate in mai multe cicluri de rotatie a magnetului. Existenta unei microstructuri fine de varianti in probe predispune la impiedicarea nuclearii fisurilor si la o rezistenta la oboseala a benzilor. Valorile maxime s-au obtinut pentru situatia in care campul magnetic a fost perpendicular pe fata esantionului, ceea ce duce la orientarea axei de usoara magnetizare (axa scurta c) perpendiculara pe fata probei in directia campului si a axei lungi (a) de-a lungul directiei radiale. Deformarile moderate, evaluarea cantitativa a volumului contractiei si cea calitativa, prin evidentierea evolutiei contractiei in camp magnetic variabil, permit indicarea ca obiecte fizice a probelor benzi tratate termic Ni49Ga20-TT, Ni51Ga21-TT si Ni48Ga20-TT si gata preparate Ni48Ga20-AP, ca element activ pentru testarea viabilitatii micropompei in etapa urmatoare a proiectului.

Diseminarea rezultatelor obtinute in cadrul studiilor realizate in etapa 2 a acest proiect s-a realizat prin publicarea de articole in reviste cu factor ISI si participarea la manifestari tehnico-stiintifice, listate pe pagina web a proiectului. 

Pagina web:  https://infim.ro/project/benzi-feromagnetice-cu-memoria-formei-ca-elemente-active-in-micropompe-fara-contact/ a fost actualizata.

In concluzie, obiectivele si activitatile propuse pentru Etapa 2/2021 au fost realizate.

REZUMAT ETAPA 3

Etapa 3/2022 are ca obiectiv principal testarea viabilitatii, ca elemente active in micropompa de laborator, a probelor benzi cu proprietati optime selectate pentru utilizarea ca demonstrator in camp magnetic variabil. Acest obiectiv a fost realizat in cadrul activitatii de testare a micropompei cu element active utilizat din probele benzi selectate.

In aceasta etapa, probele benzi feromagnetice cu memoria formei pe baza de Ni-Mn-Ga cu si fara substitutii, gata preparate si tratate termic, integrate intr-un design simplu al micropompei de laborator indicat in etapa 2, permit testarea capacitatii sistemului de a generara transportul de volume fluidice de ordinul nanolitrilor si picolitrilor sub actiunea unui camp magnetic neuniform generat de un magnet cilindric diametral magnetizat. Astfel, s-a pus in evidenta viabilitatea micropompelor de laborator avand ca elemente active benzile feromagnetice cu memoria formei pe baza de NiMnGa cu si fara substitutii de 3at% Co, prin demonstrarea experimentala a capacitatii acestora de a indeplini conditiile cerute in momentul proiectarii lor si anume de transport al unui debitul de apa cu valori de ordinul nanolitrilor pe minut, scalabil si repetabil. De asemenea, s-a permis estimarea debitul de apa al fiecarei micropompe avand ca elemente active cele trei probe pentru frecvente intermediare celor folosite in experiment, permitand adaptarea la necesitatile impuse de aplicatii.

Diseminarea rezultatelor obtinute in cadrul studiilor realizate in Etapa 3 a acest proiect s-a realizat prin generarea unui demonstrator si a unei cereri de brevet, inregistrata la OSIM si listata pe pagina web a proiectului.

 Pagina web:  https://infim.ro/project/benzi-feromagnetice-cu-memoria-formei-ca-elemente-active-in-micropompe-fara-contact/ a fost actualizata.

In concluzie, obiectivele si activitatile propuse pentru Etapa 3/2022 au fost realizate.

1. Microstructure, magnetic and magnetostrictive behaviour in the rapidly quenched off-stoichiometric Ni–Mn–Ga ferromagnetic shape memory alloys, autori Mihaela Sofronie, Felicia Tolea, Monica Enculescu, Iuliana Pasuk, Bogdan Popescu, SESIUNEA ŞTIINTIFICA ANUALĂ a Facultatii de Fizica, Magurele, Romania, 18 iunie 2021, PREZENTARE ORALA.
2. Ferromagnetic shape memory alloys, autori Mihaela Sofronie, Felicia Tolea, Bogdan Popescu, Alina D. Crisan, Victor Kuncser, Mihaela Valeanu, International Conference on the Applications of the Mössbauer Effect, ICAME 2021, Brasov, Romania, 5-10 September 2021, POSTER, ISBN: 978-606-94603-3-7.

1. Magnetic and Magnetostrictive Properties of Ni50Mn20Ga27Cu3 Rapidly Quenched Ribbons, M. Sofronie, M. Tolea, B. Popescu,  M. Enculescu, F.Tolea, MATERIALS (2021), 14, 5126, DOI 10.3390/ma14185126, SEP 2021, (IF= 3.623, AIS= 0.595, Q2)
2. The Effect of the In-Situ Heat Treatment on the Martensitic Transformation and Specific Properties of the Fe-Mn-Si-Cr Shape Memory Alloys Processed by HSHPT Severe Plastic Deformation, C. Gurau, G. Gurau, F. Tolea, B. Popescu, M. Banu, LG Bujoreanu, MATERIALS (2021) 14, 4621, AUG 2021, DOI10.3390/ma14164621, (IF= 3.623, AIS= 0.595, Q2)
3. Long- and short-range order in the Ni52Co2Fe20Ga26 ferromagnetic Heusler alloy, D.Macovei, F. Tolea, JOURNAL OF APPLIED CRYSTALLOGRAPHY (2021) 54, 4, 1207-1216,  AUG 2021, DOI10.1107/S1600576721006415, (IF= 3.304, AIS= 1.321, Q2)
4. Martensitic Transformation and Magnetic Properties of Ni57Fe18Ga25 Shape Memory Alloy Subjected to Severe Plastic Deformation, B. Popescu, C. Gurau, G. Gurau, M. Tolea, M. Sofronie, F. Tolea, TRANSACTIONS OF THE INDIAN INSTITUTE OF METALS (2021), MAY 2021, DOI 10.1007/s12666-021-02293-8, (IF=1.499, AIS= 0.178, Q3)
5. Multifunctional GaFeO3 Obtained via Mechanochemical Activation Followed by Calcination of Equimolar Nano-System Ga2O3-Fe2O3, Diamandescu, F. Tolea, M. Feder, F. Vasiliu, I. Mercioniu, M. Enculescu, T. Popescu, B. Popescu, NANOMATERIALS (2021), 11, 57, JAN 2021, DOI 10.3390/nano11010057, (IF= 5.076, AIS= 0.756, Q2)
6. Structural, magnetic and magnetostrictive properties of the ternary iron–palladium–silicon ferromagnetic shape memory ribbons, M. Sofronie, B. Popescu, M. Enculescu, Applied Physics A (2021) 127, 3, 168, FEB 5 2021, DOI 10.1007/s00339-021-04315-0,  (IF= 2.584, AIS= 0.333, Q2) 
7. Microstructure, magnetic and magnetostrictive behavior in rapidly quenched off-stoichiometric Ni-Mn-Ga ferromagnetic shape memory alloys, M. Sofronie, F. Tolea, M. Enculescu, I. Pasuk, B. Popescu, articol evaluat si acceptat in Romanian Report in Physics (IF= 1.785, AIS= 0.268, Q3)
8. Material magnetic cu memoria formei pe baza de nichel, mangan, galiu, cobalt sub forma de benzi metalice solidificate ultrarapid din topitura si procedeu de obtinere a lui”, autori M. Sofronie, B. Popescu,  F.Tolea, M. Enculescu, cerere de brevet inregistrata la OSIM cu numarul A/00087 din 22.02.2022

Contact

Dr. Mihaela Sofronie

Cercetator stiintific gradul III

Telefon: +40-(0)21-2418 140

Departament: Laboratorul de Magnetism si Supraconductibilitate