روش جابجایی حلال برای تولید قطره در سامانه ریزسیالی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشجوی دکترا، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه فنی دارمشتات، آلمان

2 دانشجوی کارشناسی، دانشکده مهندسی مکانیک، موسسه فناوری هند )

3 استاد، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه فنی دارمشتات، آلمان

چکیده

در این مقاله یک روش جدید تولید قطره در سامانه ریزسیالی از طریق سازوکار «جابجایی حلال» ، برمبنای یک تحقیق تجربی ارائه می-شود. به این منظور از یک سامانه با ساختار سه بعدی هم‌جریان متشکل از یک جریان میانی (جت) و یک جریان بیرونی استفاده می-شود. محلولی از اتانول و روغن به صورت جت جریان دارد که با جریان آب احاطه شده است. انتقال جرم به صورت پخش ملکولی در راستای شعاعی سبب ایجاد حالت اشباع و در ادامه موجب جدایش فاز به صورت تشکیل نانوقطرات می شود. به دلیل وجود اختلاف غلظت در راستای شعاعی کانال، نانوقطرات تحت تاثیر جابجایی مارانگونی به سمت مرکز کانال حرکت می‌کنند و در آنجا تجمع می-کنند. در صورتیکه غلظت روغن به قدر کافی زیاد باشد تعداد نانوقطرات تولید شده و جمع شده در مرکز کانال به قدری افزایش می‌یابد که با هم برخورد کرده و قطراتی با قطر بالای 10 میکرومتر تشکیل می شوند. چنانچه غلظت روغن در محلول 10% باشد، قطرات تولید شده قطر متوسط بین 10 تا 30 میکرومتر خواهند داشت. اندازه میکروقطرات با افزایش دبی جت افزایش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Solvent Shifting Approach for Droplet Generation in a Microfluidic Device

نویسندگان [English]

  • Ramin Hajian 1
  • Ashish Daga 2
  • Steffen Hardt 3
1 Center of Smart Interfaces, Technical University of Darmstadt (Germany)
2 Department of Mechanical Engineering, Indian Institute of Technology Kharagpur, India
3 Center of Smart Interfaces, Technical University of Darmstadt, Germany
چکیده [English]

A novel approach for microfluidic droplet generation via “solvent shifting” is presented in this paper based on an experimental investigation. In a 3D co-flow configuration with a jet of ethanol/oil mixture surrounded by water flow, the lateral diffusion leads to supersaturation followed by a phase separation and consequently formation of oil nanodroplets. Due to the solutal Marangoni effect the nanodroplets migrate inward and they get collected at the channel centerline. For high concentrations of the oil the density of the nanodroplets is so high that they can merge and produce microdroplets. If the mixture contains 10% oil, the average diameter of the produced microdroplets is within the range 10-30 µm for various jet flow rates. The size of microdroplets increases with the flow rate of the jet. Overall, for the first time we show that it is practical to generate microdroplets of different sizes by solvent shifting approach in a microfluidic setup.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Droplet Generation
  • Microfluidics
  • Solvent Shifting
  • Ouzo Effect
  • Marangoni Convection
[1] Teh, S.Y., Lin, R., Hung, L.H., Lee, A.P., 2008,“Droplet Microfluidics”. Lab on a Chip 8, 198–220.
[2] Seemann, R., Brinkmann, M., Pfohl, T., Herminghaus,S., 2012, “Droplet based microfluidics”. Reports on
Progress in Physics 75, 016601.
[3] Duraiswamy, S., Khan, S.A., 2009, “Droplet-Based Microfluidic Synthesis of Anisotropic Metal
Nanocrystals”. small 5, No. 24, 2828–2834.
[4] Lan, W., Li, S., Xu, J., Luo, G., 2012, “A one-step microfluidic approach for controllable preparation
of nanoparticle-coated patchy microparticles”.Microfluidics and Nanofluidics 13, 491–498.
[5] Lignos, I., Protesescu, L., Stavrakis, S., Piveteau, L.,Speirs, M.J., Loi, M.A., Kovalenko, M.V., deMello,
A.J., 2014, “Facile Droplet-based Microfluidic Synthesis of Monodisperse IV−VI Semiconductor Nanocrystals with Coupled In-Line NIR Fluorescence Detection”. Chemistry of Materials 26, 2975−2982.
[6] Lewis, C.L., Lin, Y., Yang, C., Manocchi, A.K.,Yuet, K.P., Doyle, P.S., Yi, H., 2010, “Microfluidic Fabrication of Hydrogel Microparticles Containing Functionalized Viral Nanotemplates”. Langmuir 26 (16), 13436–13441.
[7] Joensson, H.N., Svahn, H.A., 2012, “Droplet Microfluidics—A Tool for Single-Cell Analysis”.Angewandte Chemie International Edition 51, 12176– 12192.
[8] Lagus, T.P., Edd, J.F., 2013, “A review of the theory,methods and recent applications of high-throughput
single-cell droplet microfluidics”. Journal of Physics D: Applied Physics 46, 114005.
[9] Schneider, T., Kreutz, J., Chiu, D.T., 2013, “The Potential Impact of Droplet Microfluidics in Biology”.
Analytical Chemistry 85, 3476−3482.
[10] Xu, S., Nie, Z., Seo, M., Lewis, P., Kumacheva, E.,Stone, H.A., Garstecki, P., Weibel, D.B., Gitlin, I.,
Whitesides, G.M., 2005, “Generation of Monodisperse Particles by Using Microfluidics: Control over Size,
Shape, and Composition”. Angewandte Chemie International Edition 44, 724 –728.
[11] Lee, I., Yoo, Y., Cheng, Z., Jeong, H.K., 2008,“Generation of Monodisperse Mesoporous Silica Microspheres with Controllable Size and Surface Morphology in a Microfluidic Device”. Advanced Functional Materials 18, 4014–4021.
[12] Yeh, C.H., Zhao, Q., Lee, S.J., Lin, Y.C., 2009, “Using a T-junction microfluidic chip for monodisperse
calcium alginate microparticles and encapsulation of nanoparticles”. Sensors and Actuators A 151,231– 236.
[13] Kuehne, A.J.C., Weitz, D.A., 2011, “Highly monodisperse conjugated polymer particles synthesized with drop-based microfluidics”. Chemical Communications 47, 12379–12381.
[14] Mary, P., Studer, V., Tabeling, P., 2008, “Microfluidic Droplet-Based Liquid-Liquid Extraction”. Analytical
Chemistry 80 (8), 2680-2687.
[15] Yu, J.Q., Chin, L.K., Chen, Y., Zhang, G.J., Lo,G.Q., Ayi, T.C., Yap, P.H., Kwong, D.L., Liu, A.Q., “Microfluidic Droplet-Based Liquid-Liquid Extraction for Fluorescence-Indicated Mass Transfer,” μTAS
2010, 1079-1081.
[16] Sang, Y.Y.C., Lorenceau, E., Wahl, S., Stoffel, M.Angelescu, D.E., Hoehler, R., 2013,“A microfluidic
technique for generating monodisperse submicronsized drops”. RSC Advances 3, 2330-2335.
[17] Vitale, S.A., Katz, J.L., 2003, “Liquid Droplet Dispersions Formed by Homogeneous Liquid-liquid Nucleation: The Ouzo Effect”. Langmuir 19, 4105-4110.
[18] Ruschak, K.J., Miller, C.A., 1972, “Spontaneous Emulsification in Ternary System with Mass Transfer”.
Industrial & Engineering Chemistry Fundamentals 11 (4), 534-539.
[19] Hajian, R., Hardt, S., “Droplet Formation via Solvent Shifting in a Microfluidic Device ”. arXiv:1409.8073.
[20] Basu, A.S., 2013, “Droplet morphometry and velocimetry (DMV): a video processing software for time-resolved, label-free tracking of droplet parameters,” Lab on a Chip, 13, 1892-1901.