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).
Zudem zeigt die in Abbildung 2B dargestellte Tröpfchenbildungsrate bei Verwendung unterschiedlicher Düsengrößen, dass mit der kleinsten Düse bei hoher Durchflussrate sehr monodisperse Tröpfchen erzeugt werden können.
Wie tauscht man Mikrofluidik-Düsen aus, um auf einfache Weise verschiedene monodisperse Tröpfchen zu erhalten?
In diesem Abschnitt stellen wir kurz die 2020 von Kamperman und seinen Mitarbeitern veröffentlichten Arbeiten vor. Sie haben ein Konzept für austauschbare Düsen entwickelt, die in einer transparenten, wiederverwendbaren 3D-Mikrofluidikvorrichtung zum Einsatz kommen. Der einfache Austausch und die Neupositionierung der Düsen ermöglichen es, mit einem einzigen mikrofluidischen Gerät monodisperse Wasser-in-Öl- und Öl-in-Wasser-Emulsionen, feste Mikrokugeln und sogar Mikromaterialien mit kontrollierten Durchmessern im Bereich von 10 bis 1000 µm herzustellen.
Rahimis Arbeit hat uns gezeigt, dass die Größe der Düse ein wichtiger Faktor für die Entstehung der Tröpfchen ist. Kampermans Arbeit zeigt uns unter anderem, wie sich die Größe, aber auch die Zusammensetzung der erzeugten Tröpfchen ganz einfach variieren lassen.
Dank leckdichter Verbindungen zwischen dem Gerät, tube, und den Düsen lassen sich diese bei Bedarf austauschen.
So ist es möglich, Düsen mit unterschiedlichen Durchmessern, Hydrophobie, Saugfähigkeit und Komplexität in weniger als einer Minute zu wechseln. Zudem lässt sich die Anordnung der Düsen im Zeitverlauf steuern, um von einer T-Verzweigung zu einer Co-Flow- oder sogar zu einer Flow-Focusing-Konfiguration zu wechseln. Dank seiner Multifunktionalität lässt sich dieses mikrofluidische Gerät problemlos an die Herstellung verschiedener Mikromaterialien anpassen, darunter Emulsionen, Mikrokugeln und Mikrofasern.
🧠Was du dir merken musst
• Bei Strömungsfokussiervorrichtungen wird eine Verengungszone stromabwärts der Düse genutzt, um das hydrodynamische Verhalten des Strömungsfeldes zu verändern, wodurch monodisperse Tröpfchen entstehen.
• Die beste Monodispersität wird mit Durchflussfokussierungs- und Co-Flow-Geometrien erreicht, die typischerweise aus einer Düse bestehen, in der sich die Flüssigkeit der dispergierten Phase befindet und die in einen Kanal eingebettet ist, der die Scherflüssigkeit der kontinuierlichen Phase enthält.
• Dank seiner Multifunktionalität eignet sich das mikrofluidische Gerät von Kamperman zur Herstellung verschiedener Mikromaterialien wie Emulsionen, Mikrokügelchen und Mikrofasern, wobei die Düsenanordnung in Konfigurationen wie T-Verzweigung, Co-Flow oder Flow-Fokussierung individuell angepasst werden kann.
