La dimensione delle goccioline dipende fortemente dalla portata della fase continua e dalle dimensioni sia dell'ugello di erogazione che dell'orifizio di focalizzazione del flusso. In questa recensione, riporteremo i risultati della pubblicazione di Rahimi sull'effetto delle dimensioni dell'ugello sulla dimensione delle goccioline generate. In questo studio, sono stati valutati numericamente gli effetti di molteplici geometrie locali sulla formazione delle goccioline in un dispositivo di focalizzazione del flusso coassiale microfluidico, con validazioni sperimentali. Successivamente, presenteremo un lavoro ingegnoso su ugelli microfluidici intercambiabili per ottenere facilmente varie goccioline monodisperse.
Influenza della geometria dell'ugello sulla dimensione delle goccioline
Tra le diverse geometrie per la generazione di gocce (flow focusing, T-junction, co-flow), la migliore monodispersione si ottiene con il flow focusing e il co-flow. Generalmente sono costituiti da un ugello contenente il fluido della fase dispersa inserito in un canale rettangolare o simmetrico rispetto all'asse contenente il fluido di taglio della fase continua. Una zona di contrazione a valle dell'ugello viene utilizzata nei dispositivi di flow-focusing per modificare il comportamento idrodinamico del campo di flusso e quindi la formazione delle gocce.
A livello numerico, Rahimi e i suoi collaboratori hanno utilizzato lo schema presentato nella Figura 1 per distinguere due gruppi di parametri geometrici considerati efficaci nel processo di formazione delle gocce. Il primo gruppo comprende il raggio interno dell'ugello adimensionale (R1*=R1/R2) e la sua distanza dall'ingresso dell'orifizio (L2*=L2/R2). Il raggio dell'orifizio adimensionale (Ro* = Ro/R2) e la sua lunghezza (Lo* = Lo/R2) sono stati classificati nel secondo gruppo per riflettere le specifiche del flow focusing.
È stato possibile misurare il diametro delle gocce generate in base alle diverse dimensioni degli ugelli e per un numero di capillarità fisso.
Quando la dimensione del getto è proporzionale a quella dell'ugello, la dimensione del getto viene quindi influenzata dalle forze idrodinamiche del flusso. Pertanto, all'interno dell'orifizio di focalizzazione, ossia a valle dell'ugello, si forma un getto stretto. Tuttavia, le dimensioni del getto d'acqua nell'ugello più grande sono comparativamente maggiori in diametro e lunghezza a causa della portata d'acqua più elevata in questa condizione (Figura 2A).
Di conseguenza, utilizzando un ugello più grande si forma una goccia più grande all'estremità del getto d'acqua, il che è verificato sperimentalmente (Figura 2C).
Inoltre, il tasso di generazione delle gocce quando si utilizzano ugelli di diverse dimensioni, mostrato nella Figura 2B, evidenzia che è possibile generare gocce altamente monodisperse con una portata elevata utilizzando l'ugello più piccolo.
Come sostituire gli ugelli microfluidici per ottenere facilmente diverse gocce monodisperse?
In questa sezione presenteremo brevemente il lavoro pubblicato da Kamperman e dai suoi collaboratori nel 2020. Hanno ideato un concetto di ugelli intercambiabili che operano all'interno di un dispositivo microfluidico 3D trasparente e riutilizzabile. La facile sostituzione e il riposizionamento degli ugelli consentono di produrre emulsioni acqua-in-olio e olio-in-acqua monodisperse, microsfere solide e persino micromateriali con diametri controllati compresi tra 10 e 1000 µm utilizzando un unico dispositivo microfluidico.
Il lavoro di Rahimi ci ha dimostrato che le dimensioni dell'ugello rappresentano un elemento importante per determinare la goccia generata. Il lavoro di Kamperman ci mostra come sia possibile, tra le altre cose, variare molto facilmente non solo le dimensioni ma anche la composizione della goccia generata.
Connessioni a prova di perdita tra il dispositivo, i tube e gli ugelli consentono di sostituire gli stessi su richiesta.
Ciò rende possibile sostituire ugelli con diametri, idrofobicità, assorbenza e complessità differenti in meno di un minuto. Inoltre, il posizionamento degli ugelli può essere controllato nel tempo per passare da una configurazione a T-junction a una configurazione a co-flow o addirittura a flow-focusing. La natura multifunzionale di questo dispositivo microfluidico consente di adattarlo facilmente alla produzione di vari micromateriali, comprese emulsioni, microsfere e microfibre.
🧠Cosa bisogna ricordare
• I dispositivi di flow-focusing utilizzano una zona di contrazione a valle dell'ugello per modificare il comportamento idrodinamico del campo di flusso, ottenendo gocce monodisperse.
• La migliore monodispersione si ottiene con le geometrie a focalizzazione di flusso e co-flusso, che tipicamente consistono in un ugello contenente il fluido della fase dispersa incorporato in un canale che ospita il fluido di taglio della fase continua.
• La natura multifunzionale del dispositivo microfluidico Kamperman lo rende adatto alla produzione di vari micro-materiali come emulsioni, microsfere e microfibre con posizionamento regolabile dell'ugello in configurazioni quali T-junction, co-flusso o focalizzazione di flusso.
