Resumen

La manipulación acústica de micropartículas en dispositivos Lab-on-a-chip (LOC) ofrece una alternativa sin contacto, versátil y potencialmente económica frente a técnicas convencionales de aglomeración y separación de micropartículas en agua. Sin embargo, el diseño de dispositivos acustofluídicos eficientes requiere geometrías de cavidad y condiciones de operación que favorezcan la formación de campos estacionarios adecuados, así como modelos numéricos fiables que describan el acoplamiento entre el transductor y el fluido. En este trabajo se diseña y simula un dispositivo acustofluídico para la aglomeración de micropartículas en agua, basado en una cavidad resonante de geometría cilíndrica acoplada a un transductor piezoeléctrico comercial tipo disco PZT-5H que opera alrededor de 2.4 MHz. En una primera etapa se realiza la caracterización experimental eléctrica y vibratoria del transductor y se ajusta su curva de impedancias y respuesta mecánica a un modelo numérico que incluye las ecuaciones constitutivas de los materiales piezoeléctricos. Estos parámetros se incorporan posteriormente en un modelo numérico del dispositivo acustofluídico completo formulado en COMSOL Multiphysics®, que acopla las físicas de piezoelectricidad, mecánica de sólidos y acústica en el dominio de la frecuencia. A partir del campo de presión obtenido en la cavidad se calculan el potencial de Gorkov y las fuerzas de radiación acústica, lo que permite determinar las zonas de atrapamiento estable de partículas. En este proyecto se lleva a cabo un barrido paramétrico de la geometría, expresando la altura y el radio de la cavidad como múltiplos de la semilongitud de onda en agua, y el espesor de la capa de adaptación del dispositivo como múltiplo de un cuarto de la longitud de onda en el material de la cavidad. Los resultados muestran que la frecuencia de resonancia del sistema se mantiene en el intervalo 2.25–2.44 MHz y está dominada por la altura de la cavidad, mientras que el radio tiene un efecto secundario. Asimismo, se observa una relación proporcional entre la altura de la cavidad y el número de trampas axiales, así como configuraciones de capa de adaptación que maximizan el factor de calidad eléctrico y minimizan la impedancia en resonancia. La comparación entre el modelo analítico de cavidad rígida y las simulaciones numéricas indica una buena concordancia en la componente axial de las fuerzas de radiación, y pone de manifiesto el papel de las pérdidas y de las condiciones de borde reales en la modificación del campo radial. En conjunto, los resultados proporcionan lineamientos de diseño y una metodología integrada de modelado que sirven de base para la futura fabricación experimental de dispositivos LOC acustofluídicos para la aglomeración de partículas en agua