[論文レビュー] Highly Viscous Microjet Generator

Hajime Onuki, Yuto Oi+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 18, 2017

3D Printing in Biomedical Research参考文献 29被引用数 15

ひとこと要約

本稿では、インパルス力、液滴容器への作用、内側にへこみのある気液界面を有する被覆された毛細管チューブ、およびフローフォーキュージングを用いて、高粘度のマイクロジェット（最大500 mm²/s）を生成する低コストでシンプルなデバイスを提案する。ジェット速度は初期の液体速度を30倍以上上回り、粘度がフォーキュージング段階でジェット速度を低下させるが、レイノルズ数（Re）を用いて定量的に記述できる。

ABSTRACT

This paper describes a simple yet novel system for generating a highly viscous microjet. The jet is produced inside a wettable thin tube partially submerged in a liquid. The gas-liquid interface inside the tube, which is initially concave, is kept much deeper than that outside the tube. An impulsive force applied at the bottom of a liquid container leads to significant acceleration of the liquid inside the tube followed by flow-focusing due to the concave interface. The jet generation process can be divided into two parts that occur in different time scales, i.e. the Impact time (impact duration $\le O(10^{-4})$ s) and Focusing time (focusing duration $\gg O(10^{-4})$ s). In Impact time, the liquid accelerates suddenly due to the impact. In Focusing time, the microjet emerges due to flow-focusing. In order to explain the sudden acceleration inside the tube in Impact time, we develop a physical model based on a pressure impulse approach. Numerical simulations confirm the proposed model, indicating that the basic mechanism of the acceleration of the liquid due to the impulsive force is elucidated. Remarkably, the viscous effect is negligible in Impact time. In contrast, in Focusing time, the viscosity plays an important role in the microjet generation. We experimentally and numerically investigate the velocity of microjets with various viscosities. We find that higher viscosities lead to reduction of the jet velocity, which can be described by using Reynolds number (the ratio between the inertia force and the viscous force). This novel device may be a starting point for next-generation technologies, such as high-viscosity inkjet printers including bioprinters and needle-free injection devices for minimally invasive medical treatments.

研究の動機と目的

• 高粘度液体（最大500 mm²/s）からのマイクロジェット生成を可能にする、シンプルで低コストなデバイスの開発。従来のインクジェットシステムでは排出が困難な液体を対象とする。
• 従来のインクジェットプリンタが低粘度流体（≤20 mm²/s）に限定されるという制限を克服し、ぼやけや色の褪せを引き起こす問題を解消すること。
• 高粘度の機能性液体を用いた次世代の応用分野、例えばバイオプリンティング、針のない薬物投与、導電性プリントの実現を可能にすること。
• インパルス駆動加速とフローフォーキュージングジェット発生という2つの時間領域におけるマイクロジェット形成の物理的メカニズムを解明すること。
• レイノルズ数（Re）を用いて、フォーキュージング段階における粘度がジェット速度に与える影響を定量的に評価すること。

提案手法

• 液体を含む容器の底にインパルス力を加えることで、インパルス時間スケール（≤10⁻⁴ s）において液体が急加速する。
• 細い親水性毛細管チューブを一部水中に沈め、チューブ内での液体レベルを外側よりも深く保つことで、へこみのある気液界面を形成する。
• へこみのある界面によりフローフォーキュージングが可能となり、フォーキュージング時間（≫10⁻⁴ s）に液体がマイクロジェットへと加速される。
• インパルス時間における物理的メカニズムは、インパルス圧力アプローチを用いてモデル化され、ナビエ＝ストークス方程式をインパルス持続時間の間で積分することで導出される。
• 自由表面の追跡とジェット形成の捉え込みを目的として、非圧縮性ナビエ＝ストークス方程式に体積フラッド（VOF）法を用いた数値シミュレーションを実施する。
• ジェット速度は粘度と関連して分析され、粘度の影響によるジェット速度低下はレイノルズ数（Re = U'r/ν）を用いて相関づけられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的なインクジェットシステムに不適切な高粘度液体（最大500 mm²/s）からマイクロジェットを生成するシンプルで低コストなデバイスは、どのように実現できるか？
• RQ2 インパルス時間スケール（≤10⁻⁴ s）において液体を加速する物理的メカニズムは何か？また、高粘度であるにもかかわらず、そのメカニズムはどのようにモデル化できるか？
• RQ3 フォーキュージング時間において粘度が最終ジェット速度に与える影響は何か？この影響は次元なし数を用いて定量的に記述可能か？
• RQ4 フォーキュージング時間中に発達する粘性境界層が、フローフォーキュージングに干渉し、ジェット速度を低下させる程度はどの程度か？
• RQ5 このデバイスは、不規則な表面に対しても複数方向へのジェットを生成可能か？

主な発見

• 本デバイスは、従来のインクジェットプリンタの20 mm²/sという上限をはるかに超える、最大500 mm²/sの粘度を持つ液体からもマイクロジェットを効果的に生成できた。
• インパルス時間において、圧力インパルスにより液体が急激に加速され、この加速段階では粘度の影響が無視できるほど小さい。
• へこみのある界面における効果的なフローフォーキュージングのおかげで、チューブ内の初期液体速度に対してジェット速度が30倍以上に増幅された。
• フォーキュージング時間において、高粘度はジェット速度を低下させ、その低下はレイノルズ数（Re）を用いて定量的に記述可能であり、ジェット速度はReが低下するにつれて減少する。
• 境界層厚さ（δ* = √(2/Re)）は、ジェット速度増幅係数βの低下と相関しており、Re ≲ 200の領域で粘性効果が顕著に現れることを示している。
• モデルとシミュレーションは、さまざまな粘度とチューブ半径において実験データと良好に一致しており、物理的メカニズムおよびReが粘度依存のジェット速度に与える役割の妥当性が裏付けられた。