Den detaljerade fysiken bakom droppgenerering i mikrofluidiska post-array-enheter har klargjorts av forskare vid Tokyo Tech. Genom olika experiment utförda under olika driftsförhållanden fick de viktiga insikter i hur dessa små enheter kan användas för att producera enhetliga emulsioner, med potentiella tillämpningar inom analytisk kemi och biologi, medicin, kosmetika och materialvetenskap.

Emulsioner är blandningar av två olösliga vätskor, i vilka en av vätskorna finns som en dispersion av små droppar i den andra. De är ganska vanliga i vardagen; mjölk, smör, ansiktskrämer, färg och schampo är välbekanta exempel. Intressant nog spelar emulsioner också en viktig roll i laboratorietillämpningar inom olika områden, inklusive analytisk kemi, biomedicinsk forskning och materialvetenskap, bland annat.

I de flesta fall drar dessa applikationer fördel av att ha emulsioner i vilka de dispergerade dropparna delar en liknande storlek, även kallade "monodisperse emulsioner". Forskare har letat efter effektiva blandningsmetoder för att producera sådana emulsioner med en hög grad av kontroll. I detta avseende har mikrofluidik framstått som ett lovande tillvägagångssätt.

Speciellt är mikrofluidiska post-array-anordningar ett attraktivt sätt att erhålla emulsioner med en önskad droppstorlek vid hög genomströmning. Dessa anordningar tvingar små mängder råemulsion genom en rad regelbundet åtskilda stolpar. Dessa stolpar bryter upp befintliga droppar vid anslag tills en finare, mer monodispers emulsion erhålls. Men även om processen verkar vara okomplicerad, är den detaljerade fysiken bakom mikrofluidiska post-array-enheter komplex och inte väl förstådd.

I en nyligen publicerad studie publicerad i tidskriften Lab on a Chip , ett forskarlag från Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) i Japan satte sig för att ta itu med denna kunskapslucka. Teamet, inklusive Dr. Shuzo Masui och docent Takasi Nisisako, körde en serie detaljerade experiment för att förstå hur olika design- och driftsparametrar i post-array-enheter påverkar egenskaperna hos de erhållna emulsionerna. Noterbart är att denna studie valdes för omslagsbilden av tidskriften.

Teamet analyserade effekterna av flödeshastighet, viskositet och andel av de två ingående vätskorna på droppstorlek och enhetlighet, såväl som betydelsen av geometrin och materialen i postarrayen. För detta ändamål tillverkade de flera anpassade mikrofluidiska post-array-enheter med en teknik som kallas mjuk litografi. Med hjälp av en höghastighetsvideokamera och bildanalysalgoritmer kunde forskarna exakt kvantifiera droppstorleken och observera deras bildning i detalj.

Resultaten belyser betydelsen av det effektiva kapillärtalet (Caeff) i post-array-anordningen. Enkelt uttryckt är Caeff ett mått relaterat till kapillaritetsfenomenet som beräknas utifrån viskositeten, hastigheten och ytspänningen hos ingående vätskor. "Vi fann att variationer i droppstorlek ökade från kvasi-monodispersa till polydispersa nivåer när Caeff överskred ett visst tröskelvärde på grund av den relativa storleksökningen hos satellit- eller sekundära droppar", förklarar Dr. Masui.

Dessutom identifierade forskarna två distinkta droppuppbrytningslägen som kunde beskrivas med ekvationer som liknar de som används för mikrofluidiska T-korsningar, vilka är relativt enklare och välstuderade som en typ av droppgenereringsanordning.

Sammantaget belyser resultaten av detta arbete fysiken bakom post-array-enheter. Denna kunskap kommer att vara avgörande för att öka deras prestanda och tillämpbarhet, som Dr. Masui konstaterar, "Vår studie bidrar till förståelsen av droppuppdelning i enheter efter array och utökar deras unika droppgenereringsegenskaper till att inkludera hög genomströmning, hög fraktion, robusta och kontinuerliga emulgeringsprocesser."

Dessa ansträngningar kan bana väg för effektiv produktion av högkvalitativa emulsioner, vilket inte bara leder till bättre kosmetika och färger utan också innovationer inom kemisk och materialsyntes och vetenskapliga framsteg inom biologi och medicin via avancerad mikrofluidik.

Mer information: 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

Journalinformation: Lab on a Chip

Tillhandahålls av Tokyo Institute of Technology