Фокусировка потока
Фокусировка потока в гидродинамике — это технология , целью которой является создание капель или пузырьков простыми гидродинамическими средствами. На выходе получается дисперсная жидкость или газ, часто в виде мелкодисперсного аэрозоля или эмульсии . Никакой другой движущей силы, кроме традиционной накачки, не требуется, что является ключевым отличием от других сопоставимых технологий, таких как электрораспыление (где электрическое поле необходимо ). Как фокусировка потока, так и электрораспыление в наиболее широко используемом режиме позволяют получить высококачественные струи, состоящие из однородных капель хорошо контролируемого размера. Фокусировка потока была изобретена профессором Альфонсо М. Ганьян-Кальво (который сейчас преподает в ETSI в Севилье) в 1994 году, запатентована в 1996 году и впервые опубликована в 1998 году.
Механизм
[ редактировать ]Основной принцип состоит в том, что жидкость с непрерывной фазой (фокусирующая или защитная жидкость) окружает дисперсную фазу (фокусированную или сердцевинную жидкость) по бокам или вокруг нее, что приводит к отрыву капель или пузырьков вблизи отверстия, через которое обе жидкости экструдируются. Этот принцип может быть распространен на две или более коаксиальные жидкости ; газы и жидкости могут сочетаться; и, в зависимости от геометрии питающей трубки и отверстий, картина потока может быть цилиндрической или плоской. [ 1 ] [ 2 ] Как цилиндрическая, так и плоская фокусировка потока привела к множеству разработок (см. также работы Питера Вальзаля).
Устройство фокусировки потока состоит из напорной камеры , находящейся под давлением с непрерывной подачей фокусирующей жидкости. Внутри одна или несколько сфокусированных жидкостей впрыскиваются через капиллярную трубку , конец которой открывается перед небольшим отверстием, соединяющим камеру давления с внешней средой. жидкости Поток фокусирующей жидкости формирует мениск в выступ, создавая 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 неустойчивость разбивает устойчивую струю на однородные капли или пузырьки.
Подающая трубка может состоять из двух или более концентрических игл и различных несмешивающихся жидкостей или газов, которые необходимо впрыскивать, что приводит к образованию капель соединения. [ 3 ] При соответствующем отверждении такие капли могут привести к образованию многослойных микрокапсул с множеством оболочек контролируемой толщины. Фокусировка потока обеспечивает чрезвычайно быстрое и контролируемое производство до миллионов капель в секунду при разрушении струи.
Роль касательного вязкого напряжения существенна в установлении устойчивой формы мениска при фокусировке потока, как это показано на примере простой струи жидкости, окруженной газом. При отсутствии достаточно сильного касательного напряжения получается мениск с круглой вершиной. Как внутренний поток жидкости, так и внешний поток газа будут иметь области застоя вокруг круглой вершины. Напряжение поверхностного натяжения σ/D будет просто уравновешено соответствующим скачком давления на границе раздела. Если медленно увеличить расход жидкости Q, система будет периодически выплевывать избыток жидкости, чтобы восстановить равновесную форму с круглой вершиной. Однако, когда касательное напряжение достаточно сильное по сравнению с σ /D, поверхность может деформироваться до устойчивой сужающейся формы, что обеспечивает непрерывное и плавное ускорение жидкости под совместным действием перепада давления ΔP и касательного вязкого напряжения. τs на поверхности жидкости.
Приложения
[ редактировать ]Фокусировка потока может применяться в пищевой, медицинской, фармацевтической, косметической, фотографической и экологической промышленности, а также в других потенциальных сферах применения. Производство сложных частиц является важной областью: можно упомянуть инкапсуляцию лекарств , частицы, меченные красителем, и многоядерные частицы. [ 4 ] [ 5 ] Другие приложения включают проточную цитометрию. [ 6 ] [ 7 ] и микрофлюидные схемы. [ 8 ] [ 9 ] Контрастное вещество , такое как капли и микропузырьки, можно получить в микрофлюидном устройстве с фокусировкой потока.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Ганьян-Кальво, Альфонсо М. (12 января 1998 г.). «Генерация устойчивых жидких микронитей и монодисперсных струй микронного размера в газовых потоках» . Письма о физических отзывах . 80 (2). Американское физическое общество (APS): 285–288. Бибкод : 1998PhRvL..80..285G . дои : 10.1103/physrevlett.80.285 . hdl : 11441/103221 . ISSN 0031-9007 .
- ^ Ганьян-Кальво, Альфонсо М.; Гордилло, Хосе М. (11 декабря 2001 г.). «Идеально монодисперсное микропузырьковое образование путем фокусировки капиллярного потока» . Письма о физических отзывах . 87 (27). Американское физическое общество (APS): 274501. Бибкод : 2001PhRvL..87A4501G . дои : 10.1103/physrevlett.87.274501 . hdl : 11441/103230 . ISSN 0031-9007 . ПМИД 11800883 .
- ^ Утада, А.С. (22 апреля 2005 г.). «Монодисперсные двойные эмульсии, полученные с помощью микрокапиллярного устройства». Наука . 308 (5721). Американская ассоциация содействия развитию науки (AAAS): 537–541. Бибкод : 2005Sci...308..537U . дои : 10.1126/science.1109164 . ISSN 0036-8075 . ПМИД 15845850 . S2CID 2410489 .
- ^ Мартин-Бандерас, Люсия; Флорес-Москера, Мария; Риеско-Чуэка, Паскуаль; Родригес-Хиль, Альфонсо; Лук, Ангел; Чавес, Себастьян; Ганьян-Кальво, Альфонсо М. (2005). «Фокусировка потока: универсальная технология производства микрочастиц с контролируемым размером и определенной морфологией». Маленький . 1 (7). Уайли: 688–692. дои : 10.1002/smll.200500087 . ISSN 1613-6810 . ПМИД 17193506 .
- ^ Дендукури, Дхананджай; Дойл, Патрик С. (6 ноября 2009 г.). «Синтез и сборка полимерных микрочастиц с использованием микрофлюидики». Продвинутые материалы . 21 (41). Уайли: 4071–4086. дои : 10.1002/adma.200803386 . ISSN 0935-9648 . S2CID 12136073 .
- ^ Чунг, С.; Парк, SJ; Ким, Дж. К.; Чунг, К.; Хан, округ Колумбия; Чанг, Дж. К. (1 октября 2003 г.). «Проточный цитометр с пластиковым микрочипом на основе 2- и 3-мерной гидродинамической фокусировки потока». Микросистемные технологии . 9 (8). ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа»: 525–533. дои : 10.1007/s00542-003-0302-2 . ISSN 0946-7076 . S2CID 110440257 .
- ^ Уорд, Томас; Фавр, Магали; Абкарян, Манук; Стоун, Ховард А. (2005). «Фокусировка микрофлюидного потока: размер капель и масштабирование при накачке, зависящей от давления и скорости потока». Электрофорез . 26 (19). Уайли: 3716–3724. дои : 10.1002/elps.200500173 . ISSN 0173-0835 . ПМИД 16196106 . S2CID 17632023 .
- ^ Такеучи, С.; Гарстецкий, П.; Вейбель, Д.Б.; Уайтсайдс, генеральный менеджер (18 апреля 2005 г.). «Осесимметричное микрофлюидное устройство, фокусирующее поток». Продвинутые материалы . 17 (8). Уайли: 1067–1072. дои : 10.1002/adma.200401738 . ISSN 0935-9648 . S2CID 14514523 .
- ^ Хюбнер, Ансгар; Шарма, Санджив; Сриса-Арт, Монпичар; Холлфельдер, Флориан; Эдель, Джошуа Б.; деМелло, Эндрю Дж. (2008). «Микрокапли: море применений?». Лаборатория на чипе . 8 (8). Королевское химическое общество (RSC): 1244–1254. дои : 10.1039/b806405a . ISSN 1473-0197 . ПМИД 18651063 .