[論文レビュー] Enhanced capillary pumping through evaporation assisted leaf-mimicking micropumps

Prasoon Kumar, Prasanna S. Gandhi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2018

Microfluidic and Capillary Electrophoresis Applications参考文献 28被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、葉の脈道とメゾフィルの構造を模倣した分岐型マイクロチャネルネットワークとマイクロ多孔構造を用いて、蒸発駆動による流体輸送により毛細管ポンプを強化するリーフ模倣マイクロポンプを提案する。この設計により、単一毛細管系に比べて体積流量ポンピングレートが約6倍向上し、マイクロフラウドイクスティクスおよび医療用アプリケーションにおける効率的で能動的でない流体供給が可能となる。

ABSTRACT

Pumping fluids without an aid of an external power source are desirable in a number of applications ranging from a cooling of microelectronic circuits to Micro Total Analysis Systems (micro-TAS). Although, several microfluidic pumps exist, yet passive micropumps demonstrate better energy efficiency while providing a better control over a pumping rate and its operation. The fluid pumping rate and their easy maneuverability are critical in some applications; therefore, in the current work, we have developed a leaf-mimicking micropump that demonstrated ~6 fold increase in a volumetric pumping rate as compared to the micropumps having a single capillary fluid delivery system. We have discussed a simple, scalable, yet inexpensive method to design and fabricate these leaf mimicking micopump. The microstructure of the micropumps were characterised through scanning electron microscopy and its pumping performance (volumetric pumping rate and pressure head sustainence) were assessed experimentally. The working principle of the proposed micropump is attributed to its structural elements; where branched-shaped microchannels deliver the fluid acting like veins of leaves while the connected microporous support resembles mesophyll cells matrix that instantaneously transfers the delivered fluid by a capillary action to multiple pores mimicking the stomata for evaporation. Such design of micropumps will enable an efficient delivery of the desired volume of a fluid to any 2D/3D micro/nanofluidic devices used in an engineering and biological applications.

研究の動機と目的

• マイクロフラウドイクスティクスおよび医療用途向けに、被動的でエネルギー効率の高いマイクロポンプの開発を目的とする。
• 従来の単一毛細管マイクロポンプの流体供給レートおよび制御の限界を克服することを目的とする。
• 自然の葉の階層的流体輸送メカニズムを模倣し、毛細管ポンプ効果を向上させることを目的とする。
• 実用的な2次元／3次元マイクロ／ナノフラウドイクスティクスシステムへの展開に適したスケーラブルで低コストのプロセスを設計することを目的とする。

提案手法

• マイクロポンプは、流体供給を目的とした葉の脈道を模倣した分岐マイクロチャネルネットワークを有する。
• マイクロ多孔構造のサポート部材がメゾフィルマトリックスを再現し、複数の蒸発サイトへ迅速な毛細管移動を可能にする。
• 多孔質なストマ（気孔に類似した構造）の位置で蒸発が発生し、持続的な毛細管圧勾配が生成され、流体の流れが駆動される。
• 毛細管作用と蒸発誘導ポンピングを統合することで、体積流量を向上させる。
• 低コストでスケーラブルな簡易なプロセスを用いてプロダクションに適したファブリケーション手法を採用する。
• 走査型電子顕微鏡とポンピングレートおよび圧力ヘッドの実験的測定を用いて性能を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 葉のような構造を持つバイオミメティックマイクロフラウドイクスティクスポンプは、単一チャネル系に比べて顕著に毛細管ポンピングを向上させることができるか？
• RQ2 複数の多孔質サイトでの蒸発が、被動的マイクロポンプにおける体積流量にどのように影響するか？
• RQ3 分岐マイクロチャネルと多孔質マトリックスの設計は、マイクロTASデバイスにおける流体輸送効率をどの程度向上させることができるか？
• RQ4 提案されたファブリケーション手法のスケーラビリティおよび再現性は、実用的なマイクロフラウドイクスティクスアプリケーションにどの程度適しているか？

主な発見

• リーフ模倣マイクロポンプは、従来の単一毛細管マイクロポンプに比べて体積流量ポンピングレートが約6倍向上した。
• マイクロポンプは測定可能な圧力ヘッドを維持しており、信頼性の高い流体輸送能力を示した。
• 走査型電子顕微鏡による観察で、分岐マイクロチャネルおよびマイクロ多孔構造の支持部の構造的正確性が確認された。
• 蒸発支援メカニズムにより、外部電源なしで継続的な流体供給が可能となった。
• 提案された設計はスケーラブルでコスト効率が良く、2次元／3次元マイクロ／ナノフラウドイクスティクスシステムへの統合に適している。
• 複数の多孔質サイトでの蒸発によって強化された毛細管作用により、効果的な流体供給が実証された。