De gedetailleerde fysica achter het genereren van druppels in microfluïdische post-array-apparaten is opgehelderd door wetenschappers van Tokyo Tech. Via verschillende experimenten die onder verschillende operationele omstandigheden werden uitgevoerd, hebben ze belangrijke inzichten verworven in hoe deze kleine apparaten kunnen worden gebruikt om uniforme emulsies te produceren, met mogelijke toepassingen in de analytische chemie en biologie, geneeskunde, cosmetica en materiaalkunde.

Emulsies zijn mengsels van twee onoplosbare vloeistoffen, waarbij een van de vloeistoffen bestaat als een dispersie van kleine druppeltjes in de andere. Ze komen vrij vaak voor in het dagelijks leven; melk, boter, gezichtscrèmes, verf en shampoo zijn bekende voorbeelden. Interessant genoeg spelen emulsies ook een belangrijke rol in laboratoriumtoepassingen op verschillende gebieden, waaronder onder meer analytische chemie, biomedisch onderzoek en materiaalkunde.

In de meeste gevallen profiteren deze toepassingen van emulsies waarin de gedispergeerde druppeltjes een vergelijkbare grootte hebben, ook wel "monodisperge emulsies" genoemd. Wetenschappers zijn op zoek geweest naar efficiënte mengmethoden om dergelijke emulsies met een hoge mate van controle te produceren. In dit opzicht is microfluïdica naar voren gekomen als een veelbelovende aanpak.

In het bijzonder zijn microfluïdische post-array-apparaten een aantrekkelijke manier om emulsies met een gewenste druppelgrootte bij hoge doorvoer te verkrijgen. Deze apparaten dwingen minieme hoeveelheden ruwe emulsie door een reeks op regelmatige afstanden geplaatste paaltjes. Deze stiften breken bestaande druppels bij impact uiteen totdat een fijnere, meer monodisperse emulsie wordt verkregen. Hoewel het proces eenvoudig lijkt, is de gedetailleerde fysica achter microfluïdische post-array-apparaten echter complex en niet goed begrepen.

Dat blijkt uit een recente studie gepubliceerd in het tijdschrift Lab on a Chip , wilde een onderzoeksteam van het Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) in Japan deze kenniskloof aanpakken. Het team, waaronder dr. Shuzo Masui en universitair hoofddocent Takasi Nisisako, voerde een reeks gedetailleerde experimenten uit om te begrijpen hoe verschillende ontwerp- en operationele parameters in post-array-apparaten de kenmerken van de verkregen emulsies beïnvloeden. Dit onderzoek werd met name geselecteerd voor de omslagafbeelding van het tijdschrift.

Het team analyseerde de effecten van de stroomsnelheid, viscositeit en verhouding van de twee invoervloeistoffen op de druppelgrootte en uniformiteit, evenals het belang van de geometrie en materialen van de postarray. Daartoe vervaardigden ze verschillende op maat gemaakte microfluïdische post-array-apparaten met behulp van een techniek die bekend staat als zachte lithografie. Met behulp van een hogesnelheidsvideocamera en algoritmen voor beeldanalyse konden de onderzoekers de druppelgrootte nauwkeurig kwantificeren en de vorming ervan in detail observeren.

De resultaten benadrukken het belang van het effectieve capillaire getal (Caeff) in het post-array-apparaat. Simpel gezegd is Caeff een maatstaf die verband houdt met het capillariteitsverschijnsel dat wordt berekend op basis van de viscositeit, snelheid en oppervlaktespanning van de ingevoerde vloeistoffen. "We ontdekten dat de variaties in de druppelgrootte toenamen van quasi-monodisperse naar polydisperse niveaus wanneer Caeff een bepaalde drempelwaarde overschreed als gevolg van de relatieve toename van de grootte van satelliet- of secundaire druppeltjes", legt Dr. Masui uit.

Bovendien identificeerden de onderzoekers twee verschillende modi voor het uiteenvallen van druppels die beschreven zouden kunnen worden door vergelijkingen die vergelijkbaar zijn met die gebruikt voor microfluïdische T-verbindingen, die relatief eenvoudiger zijn en goed bestudeerd zijn als een soort apparaat voor het genereren van druppels.

Over het geheel genomen werpen de bevindingen van dit werk licht op de fysica achter post-array-apparaten. Deze kennis zal essentieel zijn voor het verbeteren van hun prestaties en toepasbaarheid, zoals Dr. Masui opmerkt:"Onze studie draagt ​​bij aan het begrip van het uiteenvallen van druppels in post-array-apparaten en breidt hun unieke druppelgeneratie-eigenschappen uit met hoge doorvoer, hoge fractie, robuuste en continue emulgatieprocessen."

Deze inspanningen kunnen de weg vrijmaken voor een efficiënte productie van hoogwaardige emulsies, wat niet alleen leidt tot betere cosmetica en verven, maar ook tot innovaties op het gebied van chemische en materiaalsynthese en wetenschappelijke vooruitgang in de biologie en geneeskunde via geavanceerde microfluïdica.

Meer informatie: Shuzo Masui et al, Inzicht in het uiteenvallen van druppels in een post-array-apparaat met sheath-flow-configuratie, Lab on a Chip (2023). DOI:10.1039/D3LC00573A

Journaalinformatie: Lab op een chip

Aangeboden door het Tokyo Institute of Technology