[論文レビュー] A 4-channel microfluidic hydrodynamic trap for droplet deformation and coalescence in extensional flows

Shweta Narayan, Davis B. Moravec+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2020

Innovative Microfluidic and Catalytic Techniques Innovation参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、流れの集中と圧力パルスを用いて拡張流れにおけるドロップレットの変形と緩和を制御する4チャンネルのマイクロフラウドミクスティック水圧トラップを提示する。ドロップレットの形状緩和時間はドロップレット半径および粘度比に強く依存しており、より高い粘度比は緩和を加速させる。これにより、エマルジョン中の個々のドロップレットの動的挙動および融合を正確に研究することが可能になる。

ABSTRACT

Here, we trap and control the position of droplets to study their dynamics using hydrodynamic forces alone without an external field. The hydrodynamic trap is adapted from a previously implemented Stokes trap by incorporating a drop-on-demand system to generate droplets at a T-junction geometry on the same microfluidic chip. We then study confined droplet dynamics in response to perturbation by applying a millisecond-pressure pulse to deform trapped droplets. Droplet shape relaxation after cessation of the pressure pulse follows an exponential decay. The characteristic droplet shape relaxation time is obtained from the shape decay curves for aqueous glycerol droplets of varying viscosities in the dispersed phase with light and heavy mineral oils in the continuous phase. Systems were chosen to provide similar equilibrium interfacial tensions (5-10 mN/m) with wide variations of viscosity ratios. It is found that the droplet shape relaxation shows a strong dependence on droplet radius, and a weak dependence on the ratio of dispersed to continuous phase viscosity. The relaxation time is smaller for the highest viscosity ratios, potentially indicating that the dominant viscosity controls the droplet shape relaxation time in addition to the interfacial tension and droplet size. Droplet shape relaxation time can be used inform the response of droplets in an emulsion when subjected to transient flows in various processing conditions. Finally, an application of this platform for directly visualizing individual droplet coalescence in a planar extensional flow is presented. The microfluidic four-channel hydrodynamic trap can thus be applied for studying fundamental physics of droplet deformation and droplet-droplet interactions on the micro-scale to provide an enhanced understanding of emulsion behavior on an individual droplet level.

研究の動機と目的

• 制御された流体力学的力の下で個々のドロップレットをトラップし、それらを研究するマイクロフラウドミクスティックプラットフォームの開発を目的とする。
• 一時的な拡張流れへの応答としてのドロップレット変形および形状緩和ダイナミクスの調査を目的とする。
• ドロップレットサイズおよび粘度比が緩和時間に与える影響の定量的評価を目的とする。
• 平面的拡張流れにおける個々のドロップレット融合の直接可視化を目的とする。
• 単一ドロップレットレベルでのエマルジョン挙動の根本的理解を支援するツールの提供を目的とする。

提案手法

• マイクロフラウドミクスティックチップ上にT字型ジオメトリを設け、ドロップオンデマンドシステムを用いてドロップレットを必要に応じて生成する。
• 集中した流れのパターンからの流体力学的力によって、外部の場を用いずに4チャンネル構成でドロップレットをトラップする。
• ミリ秒スケールの圧力パルスを適用し、トラップされたドロップレットを変形させ、一時的な拡張流れを誘発する。
• ドロップレット形状の変化を高速撮影によりモニタリングし、緩和ダイナミクスを抽出する。
• 圧力パルスの終了後にドロップレット形状の回復に関する指数関数的減衰曲線から緩和時間を抽出する。
• ドロップレットの粘度、分散相の粘度、界面張力の変化を実験的に制御し、主要なパラメータを分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ドロップレットサイズは、拡張流れにおける変形後に形状緩和時間にどのように影響するか？
• RQ2 分散相と連続相の間の粘度比は、ドロップレット緩和ダイナミクスにおいて果たす役割は何か？
• RQ3 界面張力およびドロップレット粘度は、緩和キネティクスにどのように影響するか？
• RQ4 このプラットフォームを用いて、平面的拡張流れにおける個々のドロップレット融合を直接可視化できるか？
• RQ5 変動する粘度比を有するドロップレット系において、緩和時間を支配する主な粘度は何か？

主な発見

• 圧力パルスの終了後にドロップレット形状の緩和は指数関数的減衰に従う。
• 緩和時間がドロップレット半径の増加に伴い顕著に短くなることから、サイズ依存性が強いことが示された。
• 分散相と連続相の間の粘度比は、緩和時間に弱いが測定可能な影響を及ぼす。
• 高い粘度比はより速い緩和をもたらすため、分散相の粘度が緩和ダイナミクスを支配することが示唆された。
• 本システムにより、平面的拡張流れにおける個々のドロップレット融合の直接可視化が可能となり、エマルジョン研究におけるプラットフォームの有効性が確認された。
• 界面張力が類似している（5–10 mN/m）が粘度比が異なる系を用いることで、粘度の影響を緩和に分離して評価可能となった。