[논문 리뷰] 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 Zoueshtiagh외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 01.

Innovative Microfluidic and Catalytic Techniques Innovation참고 문헌 45인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 직사각형 미세채널에서 압력 구동 액체 플러그의 동역학을 실험적·이론적으로 조사하며, 준정적과 동적 필름 침착 영역 간 전이에 초점을 맞춘다. 이 전이가 급격한 플러그 가속도와 파손을 유도하며, 사이클릭 강압 조건 하에서 안정성을 결정하는 압력에 의존하는 임계 초깃값 길이가 존재함을 입증한다. 이는 기하형상 특화된 필름 침착 법칙과 윤활 효과를 포함한 단순화된 모델에 의해 검증되었다.

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.

연구 동기 및 목표

• 직사각형 미세채널 내 준정적과 동적 필름 침착 영역 간 전이가 액체 플러그 동역학에 미치는 영향를 이해하기 위해.
• 사이클릭 압력 강압 조건 하에서 안정성 또는 파손을 결정하는 임계 초깃값 플러그 길이를 규명하기 위해.
• 직사각형 기하형상, 윤활 효과, 필름 침착 영역 전이를 고려한 단순화된 차원 모델을 개발하고 검증하기 위해.
• 직사각형 채널과 원통형 채널 간 플러그 동역학의 차이를 비교하여 모서리 효과로 인한 핵심적 차이점을 밝혀내기 위해.
• 직사각형 횡단면을 가진 마이크로플루이딕 장치에서 플러그의 안정성과 파손을 예측할 수 있는 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• PDMS 마이크로플루이딕 채널에 Y자 분기구를 사용하여 액체 플러그를 생성하고, syringe 펌프와 압력 제어 장치를 이용해 단방향 또는 사이클릭 강압 조건을 적용하였다.
• 모세관 수치와 플러그 동역학 기반으로 필름 침착 영역을 특성화하기 위해, 액체 필름 두께를 측정하는 습도 비율을 정량화하였다.
• 이전 이론적 프레임워크 [4], [30], [35]를 변형하여 직사각형 채널 전용 기하형상 특화 필름 침착 법칙을 통합한 단순화된 차원 모델을 개발하였다.
• 뒤집힌 운동에 기인한 윤활 효과와 준정적에서 동적 필름 침착 영역 간 급격한 전이를 고려하였다.
• 다양한 초깃값 플러그 길이와 강압 조건 하에서 수백 차례의 시험에서 이론적 예측를 실험 데이터와 비교하였다.
• 실험적 산란을 평가하기 위해 민감도 분석을 수행하였으며, 이는 주로 채널 오염과 모델 단순화에 기인한 것으로 분석되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 준정적에서 동적 필름 침착 영역 간 전이가 직사각형 미세채널 내 액체 플러그의 가속도와 파손에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 정기적 압력 강압 조건 하에서 안정적인 정기적 진동과 사이클릭 가속도 및 파손을 유도하는 것을 분리하는 임계 초깃값 플러그 길이는 얼마인가?
• RQ3 직사각형 미세채널 내 액체 플러그의 동역학은 원통형 채널과 어떻게 다를까? 특히 파손 거동과 안정성 측면에서.
• RQ4 기하형상 특화 필름 침착 법칙과 윤활 효과를 통합함으로써, 단순화된 차원 모델이 플러그 동역학을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?
• RQ5 모세관 수치는 직사각형 채널 내 필름 침착 영역과 그에 따른 플러그 거동을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 준정적에서 동적 필름 침착 영역 간 전이가 액체 플러그의 급격한 가속도와 파손을 유도하며, 이 현상은 직사각형 채널의 날카로운 모서리에 의해 유일하게 유도된다.
• 사이클릭 압력 강압 조건 하에서 약 4.7 mm의 임계 초깃값 플러그 길이가 존재하며, 이 길이 이하에서는 안정적인 정기적 진동이 발생하고, 이를 초과하면 사이클릭 가속도로 이어지는 파손이 발생한다.
• 초깃값 플러그 길이가 4.7 mm에 수렴함에 따라 파손 시간이 무한대에 수렴하는 점근적 경향을 보이며, 이는 원통형 관에서 관찰되는 점진적 지수적 경향과는 대조적으로 안정성 한계를 나타낸다.
• 기하형상 의존성 필름 침착 법칙, 윤활 효과, 필름 침착 영역 간 급격한 전이를 통합함으로써 단순화된 차원 모델이 실험 결과를 성공적으로 재현하였다.
• 실험적 편차는 주로 채널 오염에 기인한 반면, 이론적 이질성은 전이 모델링, 점성 압력 강하, 사전 습윤 필름 두께의 근사화에 기인한 것으로 분석되었다.
• 이 연구는 직사각형 미세채널이 원통형 채널과 근본적으로 다른 플러그 동역학을 보임을 규명하였으며, 이는 원통형 기하형상에서는 존재하지 않는 모서리 유도 준정적 필름 침착에 기인한다.