[논문 리뷰] A 4-channel microfluidic hydrodynamic trap for droplet deformation and coalescence in extensional flows

Shweta Narayan, Davis B. Moravec외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 03. 02.

Innovative Microfluidic and Catalytic Techniques Innovation참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 유량 집중 및 압력 펄스를 이용해 확장 흐름에서의 방울 변형과 회복을 제어하는 4채널 미세유체학적 수압 트랩을 제시한다. 연구 결과, 방울의 형태 복구 시간은 방울 반지름과 점도 비율에 의해 강하게 영향을 받으며, 높은 점도 비율일수록 복구 속도가 빨라져 개별 방울의 동역학 및 에멀션에서의 융합을 정밀하게 연구할 수 있다.

ABSTRACT

Here, we trap and control the position of droplets to study their dynamics using hydrodynamic forces alone without an external field. The hydrodynamic trap is adapted from a previously implemented Stokes trap by incorporating a drop-on-demand system to generate droplets at a T-junction geometry on the same microfluidic chip. We then study confined droplet dynamics in response to perturbation by applying a millisecond-pressure pulse to deform trapped droplets. Droplet shape relaxation after cessation of the pressure pulse follows an exponential decay. The characteristic droplet shape relaxation time is obtained from the shape decay curves for aqueous glycerol droplets of varying viscosities in the dispersed phase with light and heavy mineral oils in the continuous phase. Systems were chosen to provide similar equilibrium interfacial tensions (5-10 mN/m) with wide variations of viscosity ratios. It is found that the droplet shape relaxation shows a strong dependence on droplet radius, and a weak dependence on the ratio of dispersed to continuous phase viscosity. The relaxation time is smaller for the highest viscosity ratios, potentially indicating that the dominant viscosity controls the droplet shape relaxation time in addition to the interfacial tension and droplet size. Droplet shape relaxation time can be used inform the response of droplets in an emulsion when subjected to transient flows in various processing conditions. Finally, an application of this platform for directly visualizing individual droplet coalescence in a planar extensional flow is presented. The microfluidic four-channel hydrodynamic trap can thus be applied for studying fundamental physics of droplet deformation and droplet-droplet interactions on the micro-scale to provide an enhanced understanding of emulsion behavior on an individual droplet level.

연구 동기 및 목표

• 제어된 수압력 하에서 개별 방울을 포획하고 연구할 수 있는 미세유체학 플랫폼을 개발하기 위해.
• 일시적인 확장 흐름에 대한 반응으로 방울 변형 및 형태 복구 동역학을 조사하기 위해.
• 크기 및 점도 비율이 복구 시간에 미치는 영향을 정량화하기 위해.
• 평면적 확장 흐름에서 개별 방울 융합을 직접 시각화하기 위해.
• 단일 방울 수준에서 에멀션 거동의 기본 원리를 이해할 수 있는 도구를 제공하기 위해.

제안 방법

• 미세유체학 칩의 T자 형상 구조가 드롭온디맨드 시스템을 사용하여 필요에 따라 방울을 생성한다.
• 집중된 유량 패atters로 인한 수압력이 외부 필드 없이 4채널 구성에서 방울을 포획한다.
• 밀리초 수준의 압력 펄스를 적용하여 포획된 방울을 변형시키고 일시적인 확장 흐름을 유도한다.
• 고속 영상 촬영을 통해 방울 형태 변화를 모니터링하고 복구 동역학을 추출한다.
• 압력 펄스 종료 후 방울 형태 복구의 지수 감쇠 곡선에서 복구 시간을 추출한다.
• 핵심 매개변수를 분리하기 위해 방울 점도, 분산상 점도 및 계면장력을 다양하게 조절한 실험을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 확장 흐름에서 변형 후 방울 크기가 형태 복구 시간에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 분산상과 연속상 간 점도 비율이 방울 복구 동역학에서 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 계면장력과 방울 점도는 복구 동역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이 플랫폼을 사용하여 평면적 확장 흐름에서 개별 방울 융합을 직접 시각화할 수 있는가?
• RQ5 다양한 점도 비율을 가진 방울 시스템에서 복구 시간을 결정하는 주요 점도는 무엇인가?

주요 결과

• 압력 펄스 종료 후 방울 형태 복구가 지수 감쇠 형태를 따른다.
• 복구 시간은 방울 반지름이 증가함에 따라 크게 감소하여 크기 의존성이 뚜렷하다.
• 분산상과 연속상 간 점도 비율이 복구 시간에 약간이지만 측정 가능한 영향을 미친다.
• 높은 점도 비율일수록 복구 속도가 빨라지며, 이는 분산상 점도가 복구 동역학을 지배함을 시사한다.
• 이 시스템은 평면적 확장 흐름에서 개별 방울 융합을 직접 시각화할 수 있으며, 에멀션 연구에 대한 플랫폼의 유용성을 확인한다.
• 계면장력은 유사하나 점도 비율이 다른 시스템을 통해 점도 영향을 복구에 고립하여 분석할 수 있다.