[논문 리뷰] Microfluidic Thin Film Pressure Balance for the Study of Complex Thin Films

Sébastien Andrieux, Pierre Muller외 7명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 11.

Fluid Dynamics and Thin Films참고 문헌 45인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 점탄성 고분자 막과 경화성 수화젤을 포함한 복잡한 유체에서 안정적으로 생성, 제어 및 특성 분석이 가능한 마이크로유체학적 박막 압력 균형 장치를 제시한다. 이 장치는 마이크로유체 흐름 제어와 압력 균형 메커니즘을 통합함으로써 기존 방법의 한계를 극복하여 광범위한 복잡한 유체 시스템에서 안정된 박막 형성과 정량적 계면 유변학적 측정을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Investigations of free-standing liquid films enjoy an increasing popularity due to their relevance for many fundamental and applied scientific problems. They constitute soap bubbles and foams, serve as membranes for gas transport or as model membranes in biophysics. More generally, they provide a convenient tool for the investigation of numerous fundamental questions related to interface-and confinement-driven effects in soft matter science. Several approaches and devices have been developed in the past to characterise reliably the thinning and stability of such films, which were commonly created from low-viscosity, aqueous solutions/dispersions. With an increasing interest in the investigation of films made from strongly viscoelastic and complex fluids that may also solidify, the development of a new generation of devices is required to manage reliably the constraints imposed by these formulations. We therefore propose here a microfluidic chip design which allows for the reliable creation, control and characterisation of free-standing films of complex fluids. We provide all technical details and we demonstrate the device functioning for a larger range of systems via a selection of illustrative examples, including films of polymer melts and gelling hydrogels.

연구 동기 및 목표

• 강한 점탄성 또는 경화성 복잡한 유체에서 생성된 자유 표면 박막을 연구하기 위한 신뢰할 수 있는 도구의 부족을 해결하기 위해.
• 제어된 압력 및 유량 조건에서 안정된 자유 표면 박막을 생성하고 유지할 수 있는 장치를 개발하기 위해.
• 기존의 전통적인 박막 기법으로는 접근이 어려웠던 복잡한 유체 시스템에서 계면 특성의 정밀한 특성 분석을 가능하게 하기 위해.
• 저점성 수용성 시스템에 국한되어 있던 박막 압력 균형 방법의 적용 범위를 더 넓은 소프트 물질 재료의 범주로 확장하기 위해.

제안 방법

• 장치는 두 개의 평행한 마이크로제작 채널 사이에 중앙에 고정된 박막 영역을 형성하는 마이크로유체 칩을 사용한다.
• 압력 제어 마이크로펌프를 통해 유체를 채널을 통해 유도함으로써 박막의 지속적인 공급과 안정화를 가능하게 한다.
• 압력 균형 메커니즘이 박막을 관통하는 일정한 압력 차를 유지함으로써 박막의 얇아짐과 안정성 모니터링을 제어할 수 있다.
• 영구적인 광학 현미경 및 유변학적 측정을 통합하여 박막 두께, 형태 및 기계적 반응을 평가한다.
• 유변학적 스트레인을 최소화하고 막힘을 방지함으로써 고점도 및 경화성 유체의 사용이 가능하도록 칩 설계를 최적화하였다.
• 모델 시스템으로 고분자 막과 열역학적으로 가역적인 수화젤을 사용하여 유효성을 검증하였으며, 강력한 박막 형성과 재현 가능성을 입증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크로유체 압력 균형이 높은 점탄성 또는 경화성 복잡한 유체에서 신뢰성 있게 자유 표면 박막을 형성하고 유지할 수 있는가?
• RQ2 유체의 유변학적 특성과 유량 조건이 변화하더라도 압력 균형 메커니즘이 박막 안정성을 어떻게 유지하는가?
• RQ3 이 통합 마이크로유체 플랫폼을 통해 복잡한 유체 박막에서 계면 유변학적 특성을 얼마나 정량적으로 측정할 수 있는가?
• RQ4 고체화하거나 강한 점탄성을 보이는 시스템에서 박막의 얇아짐과 파손 역학을 연구하는 데 이 장치를 사용할 수 있는가?

주요 결과

• 마이크로유체 압력 균형은 기존의 전통적인 박막 방법으로는 부적합한 고분자 막과 경화성 수화젤에서 자유 표면 박막을 성공적으로 생성하고 안정화하였다.
• 장기간에 걸쳐 박막 두께와 형태를 연속적으로 모니터링할 수 있었으며, 대량 또는 매크로스코픽 장치 대비 향상된 안정성을 입증하였다.
• 복잡한 유체에서 정량적 계면 유변학적 측정이 이루어졌으며, 점탄성 시스템에서 특이한 얇아짐 및 파손 거동이 확인되었다.
• 점도 및 경화 조건의 넓은 범위에서 재현 가능한 박막 형성이 확인되어 다양한 소프트 물질 응용 분야에서의 강건성을 입증하였다.
• 마이크로유체 흐름 제어와 압력 균형 메커니즘의 통합을 통해 박막 형성과 진화를 정밀하게 제어할 수 있었으며, 제약 조건과 계면 효과에 대한 체계적인 연구가 가능해졌다.