[논문 리뷰] Enhanced capillary pumping through evaporation assisted leaf-mimicking micropumps

Prasoon Kumar, Prasanna S. Gandhi외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 30.

Microfluidic and Capillary Electrophoresis Applications참고 문헌 28인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 잎의 구조를 모방한 마이크로펌프를 제시하며, 분기형 미세채널 네트워크와 미세다孔 구조를 활용해 증발에 의해 유도되는 유체 이송을 통해 모세관 펌프를 향상시킨다. 이 설계는 단일 모세관 시스템 대비 약 6배 높은 체적 펌프 속도를 달성하여, 마이크로플루이딕 및 생물의학적 응용 분야에서 효율적이고 수동적인 유체 공급을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 마이크로플루이딕 및 생물의학적 응용을 위한 수동적이고 에너지 효율적인 마이크로펌프를 개발하기 위해.
• 기존 단일 모세관 마이크로펌프의 유체 공급 속도 및 제어의 한계를 극복하기 위해.
• 자연적인 잎의 계층적 유체 이동 메커니즘을 모방하여 모세관 펌프 성능을 향상시키기 위해.
• 실용적인 2D/3D 마이크로/나노플루이딕 시스템에 통합 가능한 확장 가능하고 저비용의 제조 방법을 설계하기 위해.

제안 방법

• 마이크로펌프는 잎의 녹엽을 모방한 분기형 미세채널 네트워크를 갖추어 유체를 공급한다.
• 미세다공성 지지 구조는 메소필 레이어를 재현하여 다수의 증발 부위로 빠른 모세관 이동을 가능하게 한다.
• 다공성 기공 부위에서의 증발은 지속적인 모세관 압력 기울기를 생성하여 유체의 흐름을 이끈다.
• 이 설계는 모세관 작용과 증발 유도 펌프 작용을 통합하여 체적 유량을 향상시킨다.
• 제조는 단순하고 확장 가능하며 저비용인 방법을 사용하여 대량 생산에 적합하다.
• 스캐닝 전자현미경 및 펌프 속도와 압력 헤드 측정을 통한 실험적 검증을 통해 성능을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 잎 모양의 구조를 가진 생체모방 마이크로플루이드 펌프가 단일 채널 시스템을 초월해 모세관 펌프 성능을 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 다수의 다공성 기공 부위에서의 증발은 수동 마이크로펌프의 체적 유량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 분기형 미세채널과 다공성 매트릭스 설계는 마이크로-TAS 장치에서의 유체 이동 효율을 어느 정도 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 제안된 제조 방법의 확장성과 재현 가능성은 실용적인 마이크로플루이드 응용 분야에서 어느 정도인가?

주요 결과

• 잎을 모방한 마이크로펌프는 기존 단일 모세관 마이크로펌프 대비 약 6배 높은 체적 펌프 속도를 달성하였다.
• 마이크로펌프는 측정 가능한 압력 헤드를 유지하여 신뢰할 수 있는 유체 이송 능력을 입증하였다.
• 스캐닝 전자현미경 분석을 통해 분기형 미세채널과 미세다공성 지지 구조의 구조적 정밀도가 확인되었다.
• 증발 보조 메커니즘은 외부 전원이 없이도 지속적인 유체 공급을 가능하게 하였다.
• 제안된 설계는 확장 가능하고 비용 효율적이며, 2D/3D 마이크로/나노플루이드 시스템에 통합하기에 적합하다.
• 다수의 다공성 기공 부위에서의 증발에 의해 향상된 모세관 작용을 통해 효과적인 유체 공급이 이루어졌다.