[論文レビュー] Pressure-driven dynamics of liquid plugs in rectangular microchannels: influence of the transition between quasi-static and dynamic film deposition regimes

Stéphanie Signe Mamba, Farzam Zoueshtiagh+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

Innovative Microfluidic and Catalytic Techniques Innovation参考文献 45被引用数 5

ひとこと要約

本研究は、長方形マイクロチャネル内の圧力駆動型液体プラグの動態を実験的および理論的に調査し、準静的と動的膜付着領域の間の遷移に注目する。この遷移が、劇的なプラグ加速と破裂を引き起こすことが示され、サイクル的力が加わる条件下での安定性を決定する圧力依存の臨界初期長さが存在することを明らかにした。この結果は、幾何形状に特化した膜付着則と潤滑効果を組み込んだ低次元モデルによって裏付けられている。

ABSTRACT

In this paper, we study experimentally and theoretically the dynamics of liquid plugs in rectangular microchannels for both unidirectional and cyclic pressure forcing. In both cases, it is shown that the transition between quasi-static and dynamic film deposition behind the liquid plug leads to a dramatic acceleration of the plug, rapidly leading to its rupture. This behaviour proper to channels with sharp corners is recovered from a reduced dimension model based on previous theoretical and numerical developments. In addition, it is shown for cyclic periodic forcing that the plug undergoes stable periodic oscillations if it remains in the quasi-static film deposition regime during the first cycle, while otherwise it accelerates cyclically and ruptures. The transition between these two regimes occurs at a pressure-dependent critical initial length, whose value can be predicted theoretically.

研究の動機と目的

• 長方形マイクロチャネル内での準静的と動的膜付着領域の遷移が液体プラグ動態に与える影響を理解すること。
• サイクル的圧力力が加わる条件下での安定性または破裂を決定する臨界初期プラグ長さを特定すること。
• 長方形幾何形状、潤滑効果、膜付着領域の遷移を考慮した低次元モデルの構築と検証すること。
• 長方形チャネルと円形チャネルにおけるプラグ動態の違いを比較し、コーナー効果に起因する主な相違点を明らかにすること。
• 長方形断面を有するマイクロ流体デバイスにおけるプラグの安定性と破裂を予測可能なフレームワークを提供すること。

提案手法

• PDMSマイクロチャネルを用いた実験を実施し、Y字ジョイントを介して液体プラグを生成。シリンジポンプと圧力制御装置を用いて一方向またはサイクル的力が加えられた。
• 液体膜厚さを定量化する湿分数を測定し、キャピラリー数とプラグ動態に基づいて膜付着領域を特徴づけた。
• 先行研究の理論的枠組み（[4], [30], [35]）を改変し、長方形チャネルに特化した膜付着則を組み込んだ低次元モデルを構築した。
• バックアンドフォースト運動に起因する潤滑効果と、準静的と動的膜付着領域の間の急峻な遷移をモデルに組み込んだ。
• 異なる初期プラグ長さと力の条件で数百回にわたる実験データと理論的予測を比較した。
• 実験的ばらつきを評価する感度分析を実施し、主にチャネルの汚染とモデルの単純化に起因するずれを特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 準静的と動的膜付着領域の遷移が、長方形マイクロチャネル内での液体プラグの加速と破裂にどのように影響するか？
• RQ2 周期的圧力力が加わる条件下で、安定した周期的振動と周期的加速・破裂を分ける臨界初期プラグ長さは何か？
• RQ3 長方形マイクロチャネル内での液体プラグの動態は、円形マイクロチャネル内とどのように異なるか。特に、破裂挙動と安定性の観点で。
• RQ4 幾何形状に特化した膜付着則と潤滑効果を組み込んだ低次元モデルが、プラグ動態をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 キャピラリー数が、長方形チャネル内での膜付着領域の決定とその後のプラグ挙動に果たす役割は何か？

主な発見

• 準静的と動的膜付着領域の遷移は、長方形チャネル特有の鋭いコーナーに起因するため、液体プラグの劇的な加速と即時の破裂を引き起こす。
• サイクル的圧力力が加わる条件下では、臨界初期プラグ長さが約4.7 mmであり、この長さ未満では安定した周期的振動、この長さを超えると周期的加速と破裂が生じる2つの異なる挙動が観察された。
• 初期プラグ長さが4.7 mmに近づくにつれて破裂時間が漸近的に無限大に近づくことから、安定性の閾値が存在することが示され、これは円形チューブで観察される徐々に指数関数的に増加する傾向とは対照的である。
• 幾何形状依存の膜付着則、潤滑効果、膜付着領域間の急峻な遷移を組み込んだ低次元モデルは、実験結果を良好に再現した。
• 実験的ずれの主な要因はチャネルの汚染であり、理論的ずれの主な要因は遷移のモデル化、粘性圧力勾配、および事前湿潤膜厚さの近似に起因する。
• 本研究は、コーナーに起因する準静的膜付着が円形幾何形状には存在しないことから、長方形マイクロチャネルが円形チャネルとは根本的に異なるプラグ動態を示すことを確立した。