[論文レビュー] Microfluidic Thin Film Pressure Balance for the Study of Complex Thin Films

Sébastien Andrieux, Pierre Muller+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 11, 2020

Fluid Dynamics and Thin Films参考文献 45被引用数 11

ひとこと要約

本論文では、粘弾性ポリマー溶融物やゲル化性水性ゲルを含む複雑流体から、安定した自由膜を形成・制御・特徴付け可能なマイクロフラウド・スリムフィルム圧力バランスを提示する。このデバイスは、マイクロフラウド流量制御と圧力バランスメカニズムを統合することで、従来の手法の限界を克服し、広範な複雑流体系において安定した膜形成と定量的界面リオロジー測定を可能にする。

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.

研究の動機と目的

• 強い粘弾性またはゲル化を示す複雑流体からなる自由膜を研究するための信頼性の高いツールの不足に対処すること。
• 制御された圧力および流量条件下で安定した自由膜を生成・維持できるデバイスを開発すること。
• 従来の薄膜技術では到達できなかった、複雑流体系における界面特性を正確に特徴付け可能にすること。
• 低粘度水系系に限られていた薄膜圧力バランス法の応用範囲を、より広いソフトマター材料の分野へ拡張すること。

提案手法

• デバイスは、二つの平行なマイクロフォーミングチャネルの間に中央に浮遊する薄膜領域を形成するマイクロフラウドチップを採用している。
• 圧力制御マイクロポンプにより流体をチャネル内に駆動させ、膜の連続供給と安定化を実現する。
• 圧力バランス機構により膜を貫く一定の圧力差を維持し、制御された薄型化と安定性のモニタリングを可能にする。
• 膜厚、形態、機械的応答を評価するため、膜内光学顕微鏡観察とリオロジー測定を統合している。
• せん断を最小限に抑え、つまりくぼみを防ぐことで、高粘度およびゲル化性流体の使用が可能になるチップ設計を実現している。
• モデル系としてポリマー溶融物および熱可逆性水性ゲルを用いて妥当性を検証し、強固な膜形成と再現性を示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロフラウド圧力バランスは、極めて粘弾性またはゲル化性を示す複雑流体から、信頼性を持って自由膜を形成・維持できるか？
• RQ2 流体のリオロジー特性や流量条件が変化しても、圧力バランス機構は膜の安定性をどのように維持するか？
• RQ3 この統合型マイクロフラウドプラットフォームを用いて、複雑流体膜における界面リオロジー特性をどの程度定量的に測定できるか？
• RQ4 固体化するか、強い粘弾性を示す系において、膜の薄型化および破壊ダイナミクスを同定・分析できるか？

主な発見

• マイクロフラウド圧力バランスは、通常の薄膜法では不適合とされるポリマー溶融物およびゲル化性水性ゲルからも、自由膜を安定して生成・維持することに成功した。
• 本デバイスは、長時間にわたる膜厚および形態の連続的モニタリングを可能とし、バルクまたはマクロスケールの装置と比較して顕著な安定性向上を示した。
• 複雑流体において定量的界面リオロジー測定が達成され、粘弾性系では特徴的な薄型化および破壊挙動が明らかになった。
• 広い粘度範囲およびゲル化条件において再現性のある膜形成が確認され、多様なソフトマター応用への耐久性を裏付けた。
• マイクロフラウド流量制御と圧力バランスメカニズムの統合により、膜形成およびその進化を精密に制御でき、コンfinement効果および界面効果の系統的解析が可能になった。