[论文解读] 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 11

一句话总结

本文提出了一种微流控薄膜压力平衡装置，可实现对复杂流体（包括粘弹性聚合物熔体和凝胶化水凝胶）的自由悬浮薄膜的可靠制备、控制与表征。该装置通过将微流控流量控制与压力平衡力学相结合，克服了传统方法的局限性，实现了在广泛复杂流体体系中稳定薄膜的形成及定量界面流变学测量。

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.

研究动机与目标

• 解决缺乏可靠工具用于研究由强粘弹或凝胶化复杂流体制备的自由悬浮薄膜的问题。
• 开发一种可在受控压力和流动条件下生成并维持稳定自由悬浮薄膜的装置。
• 实现对以往传统薄膜技术难以触及的复杂流体体系中界面特性的精确表征。
• 将薄膜压力平衡方法的应用范围从低粘度水溶液体系扩展至更广泛的软物质材料类别。

提出的方法

• 该装置采用带有中央悬浮薄膜区域的微流控芯片，该区域位于两个平行的微加工通道之间。
• 通过压力控制的微泵驱动流体流经通道，实现对薄膜的连续供给与稳定。
• 压力平衡机制可维持薄膜两侧的恒定压力差，从而实现可控的薄膜变薄与稳定性监测。
• 系统集成了原位光学显微成像与流变学测量，用于评估薄膜厚度、形貌及力学响应。
• 芯片设计通过最小化剪切应力并防止堵塞，使高粘度及凝胶化流体得以使用。
• 通过聚合物熔体和热可逆水凝胶等模型体系对方法进行了验证，结果表明薄膜形成稳定且可重复。

实验结果

研究问题

• RQ1 该微流控压力平衡装置能否可靠地形成并维持由高度粘弹或凝胶化复杂流体制备的自由悬浮薄膜？
• RQ2 在流体流变性质和流动条件变化的情况下，压力平衡机制如何维持薄膜的稳定性？
• RQ3 利用该集成微流控平台，能否对复杂流体薄膜中的界面流变性质实现定量测量？
• RQ4 该装置是否可用于研究会固化或表现出强粘弹性的体系中的薄膜变薄与破裂动力学？

主要发现

• 微流控压力平衡装置成功实现了从聚合物熔体和凝胶化水凝胶中生成并稳定自由悬浮薄膜，这些体系通常与传统薄膜方法不相容。
• 该装置实现了对薄膜厚度和形貌的长时间连续监测，与体相或宏观装置相比表现出显著增强的稳定性。
• 在复杂流体中实现了定量界面流变学测量，揭示了粘弹性体系中薄膜变薄与破裂行为的显著差异。
• 系统在广泛粘度范围和凝胶化条件下均表现出可重复的薄膜形成能力，证实其在多种软物质应用中的鲁棒性。
• 微流控流量控制与压力平衡力学的结合，实现了对薄膜形成与演化的精确控制，从而支持对受限效应和界面效应的系统研究。