Forståelse af dannelsen af ​​små dråber i mikrofluidiske enheder

Den detaljerede fysik bag dråbegenerering i mikrofluidiske post-array-enheder er blevet afklaret af forskere ved Tokyo Tech. Gennem forskellige eksperimenter udført under forskellige driftsforhold fik de vigtig indsigt i, hvordan disse små enheder kan bruges til at producere ensartede emulsioner med potentielle anvendelser inden for analytisk kemi og biologi, medicin, kosmetik og materialevidenskab.

Emulsioner er blandinger af to uopløselige væsker, hvor den ene af væskerne findes som en dispersion af små dråber i den anden. De er ret almindelige i hverdagen; mælk, smør, ansigtscremer, maling og shampoo er velkendte eksempler. Interessant nok spiller emulsioner også en vigtig rolle i laboratorieapplikationer på tværs af forskellige områder, herunder analytisk kemi, biomedicinsk forskning og materialevidenskab, blandt andre.

I de fleste tilfælde drager disse applikationer fordel af at have emulsioner, hvori de dispergerede dråber deler en lignende størrelse, også kaldet "monodisperse emulsioner". Forskere har været på udkig efter effektive blandingsmetoder til at fremstille sådanne emulsioner med en høj grad af kontrol. I denne henseende er mikrofluidik dukket op som en lovende tilgang.

Især mikrofluidiske post-array-enheder er en attraktiv måde at opnå emulsioner med en ønsket dråbestørrelse ved høj gennemstrømning. Disse enheder tvinger små mængder af rå emulsion gennem en række med jævne mellemrum. Disse pæle bryder eksisterende dråber op ved stød, indtil der opnås en finere, mere monodispers emulsion. Men selvom processen ser ud til at være ligetil, er den detaljerede fysik bag mikrofluidiske post-array-enheder kompleks og ikke godt forstået.

I en nylig undersøgelse offentliggjort i tidsskriftet Lab on a Chip , et forskerhold fra Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) i Japan satte sig for at adressere denne videnskløft. Holdet, herunder Dr. Shuzo Masui og lektor Takasi Nisisako, kørte en række detaljerede eksperimenter for at forstå, hvordan forskellige design- og driftsparametre i post-array-enheder påvirker egenskaberne af de opnåede emulsioner. Navnlig blev denne undersøgelse udvalgt til forsidebilledet af tidsskriftet.

Holdet analyserede virkningerne af strømningshastighed, viskositet og andel af de to inputvæsker på dråbestørrelse og ensartethed, såvel som vigtigheden af ​​post-arrayets geometri og materialer. Til dette formål fremstillede de flere brugerdefinerede mikrofluidiske post-array-enheder ved hjælp af en teknik kendt som blød litografi. Ved hjælp af et højhastigheds videokamera og billedanalysealgoritmer kunne forskerne præcist kvantificere dråbestørrelsen og observere deres dannelse i detaljer.

Resultaterne fremhæver betydningen af ​​det effektive kapillærtal (Caeff) i post-array-enheden. Forenklet sagt er Caeff et mål relateret til kapillaritetsfænomenet, der beregnes ud fra viskositeten, hastigheden og overfladespændingen af ​​de tilførte væsker. "Vi fandt ud af, at variationer i dråbestørrelse steg fra quasi-monodisperse til polydisperse niveauer, når Caeff overskred en bestemt tærskelværdi på grund af den relative størrelsesstigning i satellit- eller sekundære dråber," forklarer Dr. Masui.

Derudover identificerede forskerne to distinkte dråbeopbrudstilstande, der kunne beskrives ved ligninger svarende til dem, der bruges til mikrofluidiske T-forbindelser, som er relativt enklere og velundersøgt som en type dråbegenereringsanordning.

Overordnet set kaster resultaterne af dette arbejde lys over fysikken bag post-array-enheder. Denne viden vil være afgørende for at booste deres ydeevne og anvendelighed, som Dr. Masui bemærker, "Vores undersøgelse bidrager til forståelsen af ​​dråbeopdeling i post-array-enheder og udvider deres unikke dråbegenereringsegenskaber til at omfatte høj-throughput, high-fraktion, robuste og kontinuerlige emulgeringsprocesser."

Disse bestræbelser kan bane vejen for effektiv produktion af emulsioner af høj kvalitet, hvilket ikke kun fører til bedre kosmetik og maling, men også innovationer inden for kemisk og materialesyntese og videnskabelige fremskridt inden for biologi og medicin via avanceret mikrofluidik.

Flere oplysninger: Shuzo Masui et al., Understanding droplet breakup in a post-array device with sheath-flow-konfiguration, Lab on a Chip (2023). DOI:10.1039/D3LC00573A

Journaloplysninger: Lab on a Chip

Leveret af Tokyo Institute of Technology