[논문 리뷰] Thermocapillary-driven fluid flow within microchannels

Guillermo J. Amador, Ahmet Fatih Tabak외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 01.

Surface Modification and Superhydrophobicity참고 문헌 21인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 벽에 내장된 공동에서 유체-유체 인터페이스에서 온도 기울기를 이용해 밀리미터당 초당 유량을 유도하는 생체 적합성 있고 태양광 기반의 열표면장력형 마이크로유체 펌프를 제시한다. 표면장력의 온도 의존성을 활용함으로써, 적용된 열기울기와 비례하는 선형적이고 제어 가능한 유량을 달성하여, 실험실-온-칩 응용 분야에서 외부 기계적 또는 전기적 펌프에 의존하지 않는 자율적이고 펌프 없는 유체 운반을 실현한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 외부 기계적 또는 전기적 펌프에 의존하지 않는 펌프 없는 자율적 마이크로유체 시스템을 개발하기 위해.
• 유체-유체 인터페이스에서 발생하는 온도 기울기에 의해 구동되는 열표면장력력의 특성을 이용해 마이크로스케일에서의 유체 운반을 실현하기 위해.
• 생체 적합성 재료와 태양 복사 에너지를 에너지 원으로 사용하여 실현 가능성의 증명을 위해.
• 온도 기울기와 유체 속도 사이의 선형 관계를 확립하여 정밀한 유량 제어를 가능하게 하기 위해.
• macrophage 세포 포집과 같은 생물학적 응용 분야에서의 시스템 기능성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 공기, 실리콘 오일, 또는 도데카놀을 포획하는 100 µm 너비, 150 µm 깊이의 측면 벽에 내장된 공동을 갖는 PDMS 및 폴리우레탄 마이크로채널을 제작하여 유체-유체 인터페이스를 형성하였다.
• 서로 반대 방향의 펠리에 장치를 10 mm 간격으로 배치하여 온도 기울기를 적용하였으며, 채널 전반에 걸쳐 1 cm당 몇 °C의 온도 차이를 생성하였다.
• 데오니티티드 워터에 1 µm 형광 입자를 사용하여 마이크로입자 이미지 속도측정법(micro-PIV)을 이용해 유체 속도를 측정하였다.
• visco-점성력과 열표면장력력의 힘 균형 모델을 수립하고, 속도와 온도 기울기 사이의 선형 관계를 유도한 유체역학적 모델을 개발하였다.
• 유한요소분석을 이용한 수치 시뮬레이션을 수행하여 유동 및 온도장의 분포를 모델링하였으며, 실험 데이터와의 일치성을 검증하였다.
• 고출력 LED와 블랙 잉크 코팅 유리판을 사용하여 태양 복사 조건을 시뮬레이션하고, 국소적 가열을 유도함으로써 태양광 기반 운전 가능성을 입증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크로채널 벽의 유체-유체 인터페이스에서 발생하는 온도 기울기에 의해 열표면장력력이 대량의 유체 흐름을 유도할 수 있는가?
• RQ2 유도된 유체 속도가 적용된 온도 기울기와 선형 비례하는가? 이는 정밀한 제어를 가능하게 하는가?
• RQ3 태양 복사 에너지를 열 에너지 원으로 사용하여 시스템이 작동할 수 있는가? 이는 자율적이고 펌프 없는 유체 운반을 가능하게 하는가?
• RQ4 열표면장력 유동 조건 하에서 마이크로유체 설계가 생물학적 응용, 예를 들어 선택적 세포 포집을 지원할 수 있는가?
• RQ5 벽의 공동에 포획된 다양한 유체(공기, 오일, 도데카놀)가 열표면장력 펌프의 효율성과 안정성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 1 cm당 몇 °C의 온도 기울기를 사용하여 약 1 mm/s의 유체 속도를 달성하였으며, 마이크로스케일에서 효과적인 열표면장력 펌프 작동을 입증하였다.
• 실험적으로 유체 속도와 온도 기울기 사이에 선형 관계가 관찰되어 예측 가능하고 제어 가능한 흐름 거동을 확인하였다.
• 이론적 모델링과 수치 시뮬레이션은 실험 데이터와 뛰어난 일치를 보였으며, 점성력과 열표면장력력의 힘 균형 모델을 검증하였다.
• 기능화된 표면 화학 기법을 통해 희석된 혈액 샘플에서 매크로파지 세포를 성공적으로 포집하여 생물학적 적합성을 확인하였다.
• 고출력 LED를 사용한 태양 복사 조건 시뮬레이션은 충분한 온도 기울기를 생성하여 유체 흐름을 유도하는 데 성공하였으며, 태양광 기반 운전 가능성의 잠재성을 입증하였다.
• 생체 적합성 재료(PDMS, 폴리우레탄, 유리)와 비도전성 유체의 사용은 생물학적 샘플 및 세포 취급과의 안전한 통합을 가능하게 하였다.