Die Tröpfchengröße hängt stark von der Flussrate der kontinuierlichen Phase sowie von den Abmessungen sowohl der Ausgabedüse als auch der Fokusmierblende ab. In diesem Übersichtsartikel berichten wir über die Ergebnisse der Publikation von Rahimi zum Effekt der Düsengröße auf die Größe der generierten Tröpfchen. In dieser Studie wurden die Auswirkungen mehrerer lokaler Geometrien auf die Tröpfchenbildung in einer mikrofluidischen Koaxial-Flow-Focusing-Vorrichtung numerisch mit experimentellen Validierungen evaluiert. Anschließend stellen wir eine ingenious Arbeit zu austauschbaren mikrofluidischen Düsen vor, um auf einfache Weise verschiedene monodisperse Tröpfchen zu erhalten.
Einfluss der Düsengeometrie auf die Tröpfchengröße
Unter den verschiedenen Geometrien zur Tröpfchengenerierung (Flow-Focusing, T-Junction, Co-Flow) wird die beste Monodispersität mit Flow-Focusing und Co-Flow erzielt. Im Allgemeinen bestehen diese aus einer Düse, die das Fluid der dispersen Phase enthält, eingebettet in einen rechteckigen oder achsensymmetrischen Kanal, der das Schervollumen der kontinuierlichen Phase führt. Eine Kontraktionszone stromabwärts der Düse wird in Flow-Focusing-Vorrichtungen verwendet, um das hydrodynamische Verhalten des Strömungsfelds und damit die Tröpfchenbildung zu verändern.
Numerisch nutzten Rahimi und seine Mitarbeiter das in Abbildung 1 dargestellte Schema, um zwei Gruppen geometrischer Parameter zu unterscheiden, die für den Tröpfchenbildungsprozess als wirksam erachtet werden. Die erste Gruppe umfasst den inneren Radius der dimensionslosen Düse (R1*=R1/R2) und dessen Abstand zum Bllesseneinlass (L2*=L2/R2). Der Radius der dimensionslosen Blende (Ro* = Ro/R2) und deren Länge (Lo* = Lo/R2) wurden der zweiten Gruppe zugeordnet, um die Spezifikationen des Flow-Focusing abzubilden.
Es war möglich, den Durchmesser der erzeugten Tröpfchen in Abhängigkeit von den verschiedenen Düsengrößen und für eine feste Kapillarzahl zu messen.
Wenn die Größe des Strahls proportional zu der der Düse ist, wird die Größe des Strahls durch die hydrodynamischen Kräfte der Strömung beeinflusst. So bildet sich ein schmaler Strahl innerhalb der Fokusmierblende, d. h. stromabwärts der Düse. Die Größe des Wasserstrahls in der größeren Düse ist jedoch aufgrund der höheren Wasserflussrate unter dieser Bedingung vergleichsweise größer im Durchmesser und in der Länge (Abbildung 2A).
Folglich bildet sich am Ende des Wasserstrahls ein größeres Tröpfchen, wenn eine größere Düse verwendet wird, was experimentell verifiziert wurde (Abbildung 2C).
Darüber hinaus zeigt die in Abbildung 2B dargestellte Tröpfgenerierungsrate bei Verwendung verschiedener Düsengrößen, dass sich bei hoher Durchflussrate und Einsatz der kleinsten Düse hochgradig monodisperse Tröpfchen erzeugen lassen.
Wie lassen sich microfluidic nozzles austauschen, um auf einfache Weise verschiedene monodisperse Tröpfchen zu erhalten?
In diesem Abschnitt stellen wir kurz die 2020 von Kamperman und seinen Mitarbeitern veröffentlichte Arbeit vor. Sie haben ein Konzept für austauschbare Düsen entwickelt, die in einem transparenten, wiederverwendbaren 3D-mikrofluidischen Chip arbeiten. Der einfache Austausch und die Neupositionierung der Düsen ermöglichen die Herstellung monodisperser Wasser-in-Öl- und Öl-in-Wasser-Emulsionen, fester Mikrokugeln sowie sogar von Mikromaterialien mit kontrollierten Durchmessern im Bereich von 10 bis 1000 µm mit einem einzigen mikrofluidischen Chip.
Die Arbeit von Rahimi hat gezeigt, dass die Düsengröße ein entscheidendes Element bei der Bestimmung des erzeugten Tröpfchens ist. Kamperman zeigt uns unter anderem, wie sich die Größe und zudem die Zusammensetzung des erzeugten Tröpfchens sehr leicht variieren lassen.
Leckagefreie Verbindungen zwischen dem Chip, den tube und den Düsen ermöglichen einen bedarfsweisen Austausch der Düsen.
Dadurch ist es möglich, Düsen mit unterschiedlichen Durchmessern, Hydrophobien, Absorptionskapazitäten und Komplexitäten in weniger als einer Minute zu wechseln. Darüber hinaus kann die Platzierung der Düsen im Laufe der Zeit so gesteuert werden, dass von einer T-Junction-Konfiguration zu einer Co-Flow- oder sogar einer Flow-Focusing-Konfiguration gewechselt wird. Dank des multifunktionalen Charakters dieses mikrofluidischen Chips lässt er sich problemlos an die Herstellung verschiedener Mikromaterialien anpassen, darunter Emulsionen, Mikrokugeln und Mikrofasern.
🧠 Was Sie sich merken sollten
• Flow-Focusing-Systeme nutzen eine Verengungszone stromabwärts der Düse, um das hydrodynamische Verhalten des Strömungsfeldes zu verändern, was zu monodispersen Tröpfchen führt.
• Die beste Monodispersität wird mit Flow-Focusing- und Co-Flow-Geometrien erreicht, die typischerweise aus einer Düse mit der dispersen Phase in einem Kanal eingebettet bestehen, welcher die scherende Flüssigkeit der kontinuierlichen Phase führt.
• Der multifunktionale Charakter des Kamperman-Mikrofluidikchips prädestiniert ihn für die Herstellung verschiedener Mikromaterialien wie Emulsionen, Mikrokugeln und Mikrofasern mit anpassbarer Düsenplatzierung in Konfigurationen wie T-Junction, Co-Flow oder Flow-Focusing.
