[論文レビュー] Thermocapillary-driven fluid flow within microchannels

Guillermo J. Amador, Ahmet Fatih Tabak+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 1, 2018

Surface Modification and Superhydrophobicity参考文献 21被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、壁に埋め込まれたキャビティ内の流体-流体界面における温度勾配を活用して、ミリメートル毎秒の流れを駆動する生体適合性で太陽光駆動の熱毛細管マイクロフラウドポンプを提示する。表面張力の温度依存性を応用することで、適用された熱勾配に比例する線形で制御可能な流れを実現し、ラボオンアチップ応用における自律的でポンプ不要の流体輸送を可能にする。

ABSTRACT

Surface tension gradients induce Marangoni flow, which may be exploited for fluid transport. At the micrometer scale, these surface-driven flows can be more significant than those driven by pressure. By introducing fluid-fluid interfaces on the walls of microfluidic channels, we use surface tension gradients to drive bulk fluid flows. The gradients are specifically induced through thermal energy, exploiting the temperature dependence of a fluid-fluid interface to generate thermocapillary flow. In this report, we provide the design concept for a biocompatible, thermocapillary microchannel capable of being powered by solar irradiation. Using temperature gradients on the order of degrees Celsius per centimeter, we achieve fluid velocities on the order of millimeters per second. Following experimental observations, fluid dynamic models, and numerical simulation, we find that the fluid velocity is linearly proportional to the provided temperature gradient, enabling full control of the fluid flow within the microchannels.

研究の動機と目的

• 外部の機械的または電気的ポンプに依存しないポンプフリーで自律的なマイクロフラウドシステムの開発。
• マイクロスケールでの流体輸送に、流体-流体界面における温度勾配によって駆動される熱毛細管力を利用する。
• バイオコン patible 材料と太陽放射をエネルギー源として用いることで、実現可能性を実証すること。
• 温度勾配と流速の間の線形関係を確立し、正確な流量制御を可能とすること。
• マクロファージ細胞の捕獲といった生物学的応用におけるシステムの機能を検証すること。

提案手法

• 側面に100 µm 幅、150 µm 深さのキャビティを有するPDMSおよびポリウレタンのマイクロチャネルを製造し、空気、シリコーンオイル、またはドデカンオールを閉じ込めて流体-流体界面を形成した。
• 10 mm 離れた対向するペルチェデバイスを用いて温度勾配を印加し、チャネル全体で数 °C/cm の温度差を生成した。
• 1 µm の蛍光粒子をデイオン水に分散させ、マイクロ粒子画像速度計測法（micro-PIV）を用いて流速を測定した。
• 粘性力と熱毛細管力のバランスを考慮した流体力学的モデルを構築し、流速と温度勾配の間の線形関係を導出した。
• 有限要素解析を用いた数値シミュレーションにより、流れ場と温度場をモデル化し、実験データと照合した。
• 高出力LEDと黒インクでコーティングしたガラスを用いて太陽放射を模擬し、局所加熱を生成することで太陽光駆動動作を実現した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロチャネルの壁内に埋め込まれた流体-流体界面における温度勾配によって生じる熱毛細管力が、大規模な流体の流れを駆動できるか？
• RQ2 得られた流速が適用された温度勾配に線形に比例するか、正確な制御が可能か？
• RQ3 太陽放射を熱エネルギー源として用いることで、自律的でポンプフリーの流体輸送が可能か？
• RQ4 このマイクロフラウド設計は、熱毛細管流れ下で、マクロファージの選択的捕獲といった生物学的応用をサポートできるか？
• RQ5 キャビティ内に閉じ込められた異なる流体（空気、油、ドデカンオール）が、熱毛細管ポンピングの効率性と安定性に与える影響は何か？

主な発見

• 数 °C/cm の温度勾配を用いて、約1 mm/s の流速が達成され、マイクロスケールでの効果的な熱毛細管ポンピングが実証された。
• 実験的に流速と温度勾配の間の線形関係が観察され、予測可能で制御可能な流れの挙動が確認された。
• 理論的モデリングと数値シミュレーションは実験データと良好に一致し、粘性力と熱毛細管力のバランスモデルの妥当性が裏付けられた。
• 機能化表面化学的手法を用いて、希釈した血液試料からマクロファージを効果的に捕獲した。生物学的適合性が確認された。
• 高出力LEDを用いた太陽放射の模擬により、十分な温度勾配が生成され、流体の駆動が可能であることが示され、太陽光駆動動作の可能性が裏付けられた。
• 生体適合性材料（PDMS、ポリウレタン、ガラス）および絶縁性流体の使用により、生物学的試料や細胞処理との安全な統合が可能となった。