Фокусировка потока - Flow focusing

Фокусировка потока это технологии чьей целью является производство капель или пузырей простым гидродинамический средства. На выходе получается диспергированная жидкость или газ, часто в виде штрафа. аэрозоль или эмульсия. Никакой другой движущей силы не требуется, кроме традиционной откачки, что является ключевым отличием от других сопоставимых технологий, таких как электроспрей (где электрическое поле необходим). Как фокусировка потока, так и электроспрей, работая в их наиболее широко используемом режиме, производят высококачественные аэрозоли, состоящие из однородных капель контролируемого размера. Фокусировка потока была изобретена профессором Альфонсо М. Ганан-Кальво в 1994 году, запатентована в 1996 году и впервые опубликована в 1998 году.

Механизм

Основной принцип состоит из непрерывная фаза жидкость (фокусирующая или оболочковая жидкость), фланкирующая или окружающая дисперсная фаза (сфокусированная или основная жидкость), чтобы вызвать отрыв капель или пузырьков вблизи отверстия, через которое экструдируются обе жидкости. Принцип может быть расширен до двух или более коаксиальные жидкости; возможно сочетание газов и жидкостей; и, в зависимости от геометрии подающей трубы и отверстий, схема потока может быть цилиндрическим или плоским.[1][2] Как цилиндрическая, так и плоская фокусировка потока привели к множеству разработок (см. Также работы Питера Вальзала).

Устройство фокусировки потока состоит из барокамера под давлением с непрерывной подачей фокусирующей жидкости. Внутрь через капилляр вводится одна или несколько сфокусированных жидкостей. подающая труба конец которого открывается перед небольшим отверстием, соединяющим камеру давления с внешней средой. Фокусирующий поток жидкости формирует жидкость мениск в выступ, вызывающий устойчивую микро- или нанострую, выходящую из камеры через отверстие; размер струи намного меньше выходного отверстия, что исключает любой контакт (который может привести к нежелательному осаждению или реакции). Капиллярная нестабильность разбивает устойчивую струю на однородные капли или пузырьки.

Подающая трубка может состоять из двух или более концентрических игл и разных несмешиваемый вводимые жидкости или газы, приводящие к образованию сложных капель.[3] При надлежащем отверждении такие капли могут привести к многослойной микрокапсулы с несколькими оболочками контролируемой толщины. Фокусировка потока обеспечивает чрезвычайно быстрое и контролируемое производство до миллионов капель в секунду при распаде струи.

Роль тангенциального вязкое напряжение играет важную роль в создании устойчивой формы мениска при фокусировке потока, как показано в случае простой струи жидкости, окруженной газом. При отсутствии достаточно сильного касательное напряжение получается мениск с закругленной вершиной. И внутренний поток жидкости, и внешний поток газа будут демонстрировать застой области вокруг круглой вершины. В поверхностное натяжение напряжение σ / D было бы просто уравновешено соответствующим скачком давления на границе раздела. Если медленно увеличивать расход жидкости Q, система будет периодически выплевывать избыток жидкости, чтобы восстановить форму равновесия с круглой вершиной. Однако, когда касательное напряжение достаточно велико по сравнению с σ / D, поверхность может деформироваться в устойчивую сужающуюся форму, что обеспечивает непрерывное и плавное ускорение жидкости под совместным воздействием перепада давления ΔP и касательного вязкого напряжения. τs на поверхности жидкости.

Приложения

Фокусировка потока может применяться, среди прочего, в пищевой, медицинской, фармацевтической, косметической, фотографической и экологической промышленности. Производство составные частицы важная сфера: инкапсуляция лекарства можно назвать меченые красителем частицы и частицы с множеством ядер.[4][5] Другие приложения включают проточную цитометрию.[6][7] и микрофлюидные контуры.[8][9] Контрастное средство такие как капли и Микропузырьки может изготавливаться в микрожидкостном устройстве с фокусировкой потока.

Рекомендации

  1. ^ Ганан-Кальво, Альфонсо М. (1998-01-12). «Создание устойчивых жидких микронитей и микронных монодисперсных распылителей в газовых потоках». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 80 (2): 285–288. Дои:10.1103 / Physrevlett.80.285. ISSN  0031-9007.
  2. ^ Gañán-Calvo, Alfonso M .; Гордильо, Хосе М. (2001-12-11). «Идеально монодисперсный микропузырьков путем фокусировки капиллярного потока». Письма с физическими проверками. Американское физическое общество (APS). 87 (27): 274501. Дои:10.1103 / Physrevlett.87.274501. ISSN  0031-9007.
  3. ^ Утада, А. С. (22 апреля 2005 г.). «Монодисперсные двойные эмульсии, полученные из микрокапиллярного устройства». Наука. Американская ассоциация развития науки (AAAS). 308 (5721): 537–541. Дои:10.1126 / science.1109164. ISSN  0036-8075.
  4. ^ Мартин-Бандерас, Люсия; Флорес-Москера, Мария; Риеско-Чуэка, Паскуаль; Родригес-Хиль, Альфонсо; Себолла, Анхель; Чавес, Себастьян; Ганан-Кальво, Альфонсо М. (2005). «Фокусировка потока: универсальная технология для производства микрочастиц с контролируемым размером и специфической морфологией». Маленький. Вайли. 1 (7): 688–692. Дои:10.1002 / smll.200500087. ISSN  1613-6810.
  5. ^ Дендукури, Дхананджай; Дойл, Патрик С. (06.11.2009). «Синтез и сборка полимерных микрочастиц с использованием микрофлюидики». Современные материалы. Вайли. 21 (41): 4071–4086. Дои:10.1002 / adma.200803386. ISSN  0935-9648.
  6. ^ Chung, S .; Парк, С. Дж .; Kim, J. K .; Chung, C .; Han, D.C .; Чанг, Дж. К. (01.10.2003). «Проточный цитометр с пластиковым микрочипом на основе 2- и 3-мерной гидродинамической фокусировки потока». Микросистемные технологии. ООО "Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа". 9 (8): 525–533. Дои:10.1007 / s00542-003-0302-2. ISSN  0946-7076.
  7. ^ Уорд, Томас; Фэвр, Магали; Абкарян, Манук; Стоун, Ховард А. (2005). «Фокусировка микрожидкостного потока: размер капель и масштабирование при перекачке, зависящей от давления и расхода». Электрофорез. Вайли. 26 (19): 3716–3724. Дои:10.1002 / elps.200500173. ISSN  0173-0835.
  8. ^ Takeuchi, S .; Garstecki, P .; Weibel, D. B .; Уайтсайдс, Г. М. (18 апреля 2005 г.). "Осесимметричное микрофлюидное устройство с фокусировкой потока". Современные материалы. Вайли. 17 (8): 1067–1072. Дои:10.1002 / adma.200401738. ISSN  0935-9648.
  9. ^ Хюбнер, Ансгар; Шарма, Санджив; Сриса-Арт, Монпичар; Холлфельдер, Флориан; Эдель, Джошуа Б.; де Мелло, Эндрю Дж. (2008). «Микрокапли: море приложений?». Лаборатория на чипе. Королевское химическое общество (RSC). 8 (8): 1244. Дои:10.1039 / b806405a. ISSN  1473-0197.