El tamaño de las gotas depende en gran medida del caudal de la fase continua y de las dimensiones tanto de la boquilla dispensadora como del orificio de focalización del flujo. En esta revisión, expondremos los resultados de la publicación de Rahimi sobre el efecto del tamaño de la boquilla en el tamaño de las gotas generadas. En este estudio, evaluaron numéricamente, con validaciones experimentales, los efectos de múltiples geometrías locales en la formación de gotas en un dispositivo microfluídico coaxial de focalización del flujo. A continuación, presentaremos un ingenioso trabajo sobre boquillas microfluídicas intercambiables para obtener fácilmente diversas gotas monodispersas.
Influencia de la geometría de la boquilla en el tamaño de las gotas
Entre las diferentes geometrías para la generación de gotas (focalización de flujo, unión en T, flujo paralelo), la mejor monodispersidad se obtiene con la focalización de flujo y el flujo paralelo. Por lo general, están compuestas por una boquilla que contiene el fluido de la fase dispersa, integrada en un canal rectangular o axisimétrico que contiene el fluido de cizallamiento de la fase continua. En los dispositivos de concentración de flujo se utiliza una zona de contracción situada aguas abajo de la boquilla para modificar el comportamiento hidrodinámico del campo de flujo y, por lo tanto, la formación de gotas.
Desde el punto de vista numérico, Rahimi y sus colaboradores utilizaron el esquema presentado en la figura 1 para distinguir dos grupos de parámetros geométricos que se consideran eficaces en el proceso de formación de gotas. El primer grupo incluye el radio interior de la boquilla adimensional (R1* = R1/R2) y su distancia desde la entrada del orificio (L2* = L2/R2). El radio del orificio adimensional (Ro*=Ro/R2) y su longitud (Lo*=Lo/R2) se han clasificado en el segundo grupo para reflejar las especificaciones de concentración del flujo.
Se pudo medir el diámetro de las gotas generadas en función de los diferentes tamaños de boquilla y para un número capilar fijo.
Cuando el tamaño del chorro es proporcional al de la boquilla, dicho tamaño se ve afectado por las fuerzas hidrodinámicas del flujo. Así, se forma un chorro estrecho en el interior del orificio de focalización, es decir, aguas abajo de la boquilla. Sin embargo, el chorro de agua de la boquilla más grande tiene un diámetro y una longitud comparativamente mayores debido al mayor caudal de agua en estas condiciones (Figura 2A).
En consecuencia, al utilizar una boquilla más grande se forma una gota de mayor tamaño al final del chorro de agua, lo cual se ha verificado experimentalmente (Figura 2C).
Además, la tasa de generación de gotas al utilizar boquillas de diferentes tamaños, tal y como se muestra en la figura 2B, pone de manifiesto que, con la boquilla más pequeña, es posible generar gotas muy monodispersas a un caudal elevado.
¿Cómo se cambian las boquillas microfluídicas para obtener fácilmente diversas gotas monodispersas?
En esta sección, presentaremos brevemente el trabajo publicado por Kamperman y sus colaboradores en 2020. Han creado un concepto de boquillas intercambiables que funcionan en un dispositivo microfluídico 3D transparente y reutilizable. La facilidad para intercambiar y reposicionar las boquillas permite producir emulsiones monodispersas de agua en aceite y de aceite en agua, microesferas sólidas e incluso micromateriales con diámetros controlados que oscilan entre 10 y 1000 µm utilizando un único dispositivo microfluídico.
El trabajo de Rahimi nos demostró que el tamaño de la boquilla era un factor importante a la hora de determinar las gotas generadas. El trabajo de Kamperman nos muestra, entre otras cosas, cómo variar con gran facilidad no solo el tamaño, sino también la composición de las gotas generadas.
Las conexiones estancas entre el dispositivo, tube, y las boquillas permiten sustituir estas últimas según sea necesario.
Esto hace posible cambiar boquillas de diferentes diámetros, hidrofobicidad, absorbencia y complejidad en menos de un minuto. Además, la disposición de las boquillas se puede controlar a lo largo del tiempo para pasar de una configuración en T a una de flujo paralelo o incluso a una configuración de focalización del flujo. La naturaleza multifuncional de este dispositivo microfluídico permite adaptarlo fácilmente a la fabricación de diversos micromateriales, como emulsiones, microesferas y microfibras.
🧠Lo que tienes que recordar
• Los dispositivos de focalización del flujo utilizan una zona de contracción situada aguas abajo de la boquilla para modificar el comportamiento hidrodinámico del campo de flujo, lo que da lugar a gotas monodispersas.
• La mejor monodispersidad se consigue con geometrías de concentración de flujo y de flujo paralelo, que suelen consistir en una boquilla que contiene el fluido de la fase dispersa, integrada en un canal que alberga el fluido de cizallamiento de la fase continua.
• El carácter multifuncional del dispositivo microfluídico de Kamperman lo hace adecuado para la producción de diversos micromateriales, como emulsiones, microesferas y microfibras, con una disposición ajustable de las boquillas en configuraciones tales como la unión en T, el flujo paralelo o la focalización del flujo.
