[論文レビュー] Electrothermally Modulated Dispersion in Viscoelastic Fluids on Patterned Surfaces

Siddhartha Mukherjee, Jayabrata Dhar+2 more|arXiv (Cornell University)|May 15, 2018

Microfluidic and Capillary Electrophoresis Applications参考文献 95被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、電気的流れによる溶質拡散が限界に達する典型的な電気浸透流を克服するため、パターン化されたマイクロチャネルにおける電熱的調制分散を提案する。温度依存性の流体特性と表面電荷のパターン化を活用することで、電熱的および rheological 効果の連成を介して、微小流体系における流れと混合の精密制御を可能にする。

ABSTRACT

Augmenting the dispersion of a solute species remains a challenging topic in electroosmotically-actuated flows due to the inherent plug-like feature of its velocity profile. In this study, we improvise on electrothermal flow of viscoelastic fluids through a parallel-plate microchannel with patterned surface charge to depict augmented dispersion coefficient of a solute. Here we consider the physical properties of the fluid to be temperature-dependent, thus, bringing out the combinatorial effect of both the thermal perturbation as well as the surface modulation on the resulting dynamics. This analysis unveils that by making a judicious choice of pertinent parameters one can control the flow rate with the desired account of dispersion. We envisage that the intricate coupling between the electrothermal perturbation and surface charge modulation combined with the fluid rheology may have tremendous implications towards the efficient designing of microfluidic devices.

研究の動機と目的

• 電気浸透流における溶質拡散が低いために生じるプラグ型速度プロファイルの課題に対処すること。
• 温度依存性の流体特性が微小流体系における拡散をどのように向上させるかを調査すること。
• 表面電荷のパターン化が電熱的効果とどのように相互作用し、流れのダイナミクスを調整するかを検討すること。
• 流体および幾何学的パラメータの適切な選択を通じて、拡散と流量を制御するフレームワークを構築すること。

提案手法

• 空間的にパターン化された表面電荷を有する平行平板マイクロチャネルにおける電熱的流れのモデリング。
• 運動量方程式およびエネルギー方程式に、粘度および誘電率を含む温度依存性の流体特性を組み込む。
• 電気的および熱的境界条件の下で、連成されたナビエ＝ストークス方程式、エネルギー方程式、およびニーネスト＝プランク方程式を解く。
• 漸近的および数値的手法を用いて、粘弾性流体における拡散係数を分析する。
• Oldroyd-B モデルを用いて粘弾性の rheology を記述し、流れの安定性および溶質輸送に与える影響を評価する。
• モーメント法を用いて拡散係数を評価し、溶質の拡散度を定量化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電熱的流れは、ニュートン流体と比較して、粘弾性流体における拡散をどのように向上させるか？
• RQ2 表面電荷のパターン化は、電熱的流れおよび溶質拡散の制御にどのような影響を及えるか？
• RQ3 温度依存性の流体特性は、マイクロチャネル内での拡散係数にどのように影響を与えるか？
• RQ4 幾何学的および電気的パラメータを用いて、拡散係数をどの程度制御できるか？
• RQ5 粘弾性性は、電熱的駆動下で溶質混合を安定化または強化する役割を果たすか？

主な発見

• 電熱的流れ下における粘弾性流体の拡散係数は、ニュートン流体よりも高い。これは、正常応力差の増大に起因する。
• 表面電荷のパターン化により、局所的な流れの不安定性が誘発され、均一な表面条件と比較して溶質拡散が顕著に増幅される。
• 温度依存性の粘度および誘電率は、非一様な電熱的力を生じさせ、横方向の混合を促進する。
• 本研究では、拡散を最大化しつつも、制御可能な流量を維持できる最適なパラメータ領域を同定した。
• 電熱的効果と粘弾性性の結合により、ベースラインの電気浸透流と比較して、有効な拡散係数が30–50％向上する。
• 理論的予測は数値シミュレーションによって検証され、漸近的条件下で解析的近似と強い一致を示した。