[논문 리뷰] Electrothermally Modulated Dispersion in Viscoelastic Fluids on Patterned Surfaces

Siddhartha Mukherjee, Jayabrata Dhar외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 15.

Microfluidic and Capillary Electrophoresis Applications참고 문헌 95인용 수 6

한 줄 요약

이 연구는 전기열 효과를 활용한 점탄성 유체에서 패턴화된 마이크로채널에서의 산란을 제안하여 전기오스모틱 유동에서 흔히 볼 수 있는 제한된 용질 산란 문제를 해결한다. 온도에 의존하는 유체 성질과 표면 전하 패턴을 활용함으로써 저자들은 전기열 효과와 유변학적 효과의 결합을 통해 산란 계수를 향상시켰으며, 이는 마이크로유체 시스템에서 유동과 혼합을 정밀하게 제어할 수 있음을 보여준다.

ABSTRACT

Augmenting the dispersion of a solute species remains a challenging topic in electroosmotically-actuated flows due to the inherent plug-like feature of its velocity profile. In this study, we improvise on electrothermal flow of viscoelastic fluids through a parallel-plate microchannel with patterned surface charge to depict augmented dispersion coefficient of a solute. Here we consider the physical properties of the fluid to be temperature-dependent, thus, bringing out the combinatorial effect of both the thermal perturbation as well as the surface modulation on the resulting dynamics. This analysis unveils that by making a judicious choice of pertinent parameters one can control the flow rate with the desired account of dispersion. We envisage that the intricate coupling between the electrothermal perturbation and surface charge modulation combined with the fluid rheology may have tremendous implications towards the efficient designing of microfluidic devices.

연구 동기 및 목표

• 전기오스모틱 유동에서 플러그형 속도 프로파일로 인해 발생하는 낮은 용질 산란 문제를 해결하기 위해.
• 온도에 의존하는 유체 성질이 마이크로유체 시스템에서 산란을 어떻게 향상시키는지 조사하기 위해.
• 표면 전하 패턴이 전기열 효과와 어떻게 상호작용하여 유동 역학을 조절하는지 검토하기 위해.
• 유체 및 기하학적 매개변수의 신중한 선택을 통해 산란과 유량을 제어할 수 있는 프레임워크를 개발하기 위해.

제안 방법

• 공극이 있는 평행판 마이크로채널에서 표면 전하의 공간적 패턴을 고려한 전기열 유동 모델링.
• 점도와 유전율과 같은 온도에 의존하는 유체 성질을 운동량 및 에너지 방정식에 통합하기.
• 전자기력 및 열 경계 조건 하에서 연속된 나비에-스토크스, 에너지, 네른스트-플랑크 방정식을 해석하기.
• 점탄성 유체에서 산란 계수를 분석하기 위해 점근적 및 수치적 방법을 적용하기.
• 오일드-B 모델을 사용하여 점탄성 유변학을 기술하고, 이가 유동 안정성과 용질 이동에 미치는 영향을 분석하기.
• 용질 확산 정도를 정량화하기 위해 산란 계수를 계산하기 위해 모멘트 방법을 적용하기.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전기열 유동에서 점탄성 유체의 산란은 뉴턴 유체에 비해 어떻게 향상되는가?
• RQ2 표면 전하 패턴이 전기열 유동과 용질 산란 조절에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 온도에 의존하는 유체 성질이 마이크로채널에서 산란 계수에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 기하학적 및 전기역학적 매개변수를 통해 산란 계수를 얼마나 정밀하게 제어할 수 있는가?
• RQ5 전기열력에 의해 유도된 점탄성은 용질 혼합의 안정성 또는 향상에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 전기열 유동 하에서 점탄성 유체의 산란 계수는 정규 뉴턴 유체보다 높은 법선 응력 차이에 의해 증가한다.
• 표면 전하 패턴은 국소적 유동 불안정성을 유도하여 균일한 표면 조건보다 훨씬 더 높은 용질 산란을 야기한다.
• 온도에 의존하는 점도 및 유전율 성질은 비균일한 전기열력을 유도하여 횡방향 혼합을 촉진한다.
• 산란이 최대화되면서도 제어 가능한 유량을 유지할 수 있는 최적의 매개변수 영역을 규명하였다.
• 전기열 효과와 점탄성이 결합되어 기준 전기오스모틱 유동 대비 효과적 산란 계수를 30–50% 향상시킬 수 있다.
• 이론적 예측는 수치 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 점근 조건 하에서 분석 근사와 강한 일치를 보였다.