La taille des gouttelettes dépend fortement du débit de la phase continue ainsi que des dimensions de la buse de distribution et de l'orifice de focalisation du flux. Dans cette revue, nous présenterons les résultats de la publication de Rahimi concernant l'effet de la taille de la buse sur la taille des gouttelettes générées. Dans cette étude, ils ont évalué numériquement, avec des validations expérimentales, les effets de multiples géométries locales sur la formation de gouttelettes dans un dispositif microfluidique de focalisation de flux co-axial. Ensuite, nous présenterons un travail ingénieux sur des buses microfluidiques échangeables permettant d'obtenir facilement diverses gouttelettes monodisperses.
Influence de la géométrie de la buse sur la taille des gouttelettes
Parmi les différentes géométries pour la génération de gouttelettes (focalisation de flux, jonction en T, co-flux), la meilleure monodispersité est obtenue avec la focalisation de flux et le co-flux. Généralement, elles sont composées d'une buse contenant le fluide de la phase dispersée, insérée dans un canal rectangulaire ou axisymétrique contenant le fluide de cisaillement de la phase continue. Une zone de contraction en aval de la buse est utilisée dans les dispositifs de focalisation de flux pour modifier le comportement hydrodynamique du champ d'écoulement et ainsi la formation des gouttelettes.
Numériquement, Rahimi et ses collaborateurs ont utilisé le schéma présenté à la Figure 1 pour distinguer 2 groupes de paramètres géométriques considérés comme efficaces dans le processus de formation de gouttelettes. Le premier groupe comprend le rayon interne de la buse sans dimension (R1*=R1/R2) et sa distance par rapport à l'entrée de l'orifice (L2*=L2/R2). Le rayon de l'orifice sans dimension (Ro* = Ro/R2) et sa longueur (Lo* = Lo/R2) ont été classés dans le second groupe afin de refléter les spécifications de focalisation de flux.
Il a été possible de mesurer le diamètre des gouttelettes générées en fonction des différentes tailles de buses et pour un nombre capillaire fixe.
Lorsque la taille du jet est proportionnelle à celle de la buse, la taille du jet est alors affectée par les forces hydrodynamiques de l'écoulement. Ainsi, un jet étroit est établi à l'intérieur de l'orifice de focalisation, c'est-à-dire en aval de la buse. Cependant, la taille du jet d'eau dans la buse plus grande est comparativement plus importante en diamètre et en longueur en raison du débit d'eau plus élevé dans cette condition (Figure 2A).
Par conséquent, une gouttelette plus grande se forme à l'extrémité du jet d'eau lors de l'utilisation d'une buse plus grande, ce qui est vérifié expérimentalement (Figure 2C).
De plus, le taux de génération de gouttelettes lors de l'utilisation de différentes tailles de buses, comme le montre la Figure 2B, indique que des gouttelettes très monodisperses peuvent être générées avec un débit élevé en utilisant la buse la plus petite.
Comment échanger des buses microfluidiques pour obtenir facilement diverses gouttelettes monodisperses ?
Dans cette section, nous présenterons brièvement les travaux publiés par Kamperman et ses collaborateurs en 2020. Ils ont créé un concept de buses interchangeables fonctionnant dans un dispositif microfluidique 3D transparent et réutilisable. L'échange et le repositionnement faciles des buses permettent de produire des émulsions monodisperses eau-dans-huile et huile-dans-eau, des microsphères solides, et même des micromatériaux avec des diamètres contrôlés allant de 10 à 1000 µm en utilisant un seul dispositif microfluidique.
Les travaux de Rahimi ont démontré que la taille de la buse était un élément crucial dans la détermination de la gouttelette générée. Les travaux de Kamperman nous montrent comment, entre autres, faire varier très facilement la taille mais aussi la composition de la gouttelette générée.
Des connexions étanches entre le dispositif, le tube et les buses permettent de remplacer les buses à la demande.
Cela permet de changer des buses de différents diamètres, hydrophobie, absorbances et complexités en moins d'une minute. De plus, le positionnement de la buse peut être contrôlé au fil du temps pour passer d'une configuration en jonction en T à un co-flux ou même à une configuration de focalisation de flux. La nature multifonctionnelle de ce dispositif microfluidique lui permet d'être facilement adapté à la fabrication de divers micro-matériaux, y compris les émulsions, les microsphères et les microfibres.
🧠 Ce qu'il faut retenir
• Les dispositifs à focalisation de flux utilisent une zone de contraction en aval de la buse pour modifier le comportement hydrodynamique du champ d'écoulement, ce qui permet d'obtenir des gouttelettes monodisperses.
• La meilleure monodispersité est obtenue avec les géométries de focalisation de flux et de co-flux, qui consistent généralement en une buse contenant le fluide de la phase dispersée, insérée dans un canal qui contient le fluide de cisaillement de la phase continue.
• La nature multifonctionnelle du dispositif microfluidique de Kamperman le rend adapté à la production de divers micro-matériaux tels que des émulsions, des microsphères et des microfibres, avec un positionnement de buse ajustable dans des configurations telles que la jonction en T, le co-flux ou la focalisation de flux.
