La fisica dettagliata dietro la generazione di goccioline nei dispositivi microfluidici post-array è stata chiarita dagli scienziati della Tokyo Tech. Attraverso vari esperimenti eseguiti in diverse condizioni operative, hanno acquisito importanti informazioni su come questi piccoli dispositivi possano essere utilizzati per produrre emulsioni uniformi, con potenziali applicazioni in chimica analitica e biologia, medicina, cosmetica e scienza dei materiali.
Le emulsioni sono miscele di due liquidi insolubili, in cui uno dei liquidi esiste come dispersione di piccole goccioline nell'altro. Sono abbastanza comuni nella vita di tutti i giorni; latte, burro, creme per il viso, vernici e shampoo sono esempi familiari. È interessante notare che le emulsioni svolgono un ruolo importante anche nelle applicazioni di laboratorio in vari campi, tra cui la chimica analitica, la ricerca biomedica e la scienza dei materiali, tra gli altri.
Nella maggior parte dei casi, queste applicazioni traggono vantaggio dalla presenza di emulsioni in cui le goccioline disperse condividono dimensioni simili, chiamate anche "emulsioni monodisperse". Gli scienziati sono alla ricerca di metodi di miscelazione efficienti per produrre tali emulsioni con un elevato grado di controllo. A questo proposito, la microfluidica si è rivelata un approccio promettente.
In particolare, i dispositivi microfluidici post-array rappresentano un modo interessante per ottenere emulsioni con la dimensione desiderata delle goccioline ad alta produttività. Questi dispositivi spingono piccole quantità di emulsione grezza attraverso una serie di montanti regolarmente distanziati. Questi perni rompono le goccioline esistenti all'impatto fino a ottenere un'emulsione più fine e monodispersa. Tuttavia, sebbene il processo sembri semplice, la fisica dettagliata alla base dei dispositivi microfluidici post-array è complessa e non ben compresa.
In un recente studio pubblicato sulla rivista Lab on a Chip , un gruppo di ricerca del Tokyo Institute of Technology (Tokyo Tech) in Giappone ha deciso di colmare questa lacuna di conoscenze. Il team, che comprende il dottor Shuzo Masui e il professore associato Takasi Nisisako, ha condotto una serie di esperimenti dettagliati per comprendere come vari parametri operativi e di progettazione nei dispositivi post-array influenzino le caratteristiche delle emulsioni ottenute. In particolare, questo studio è stato selezionato per l'immagine di copertina della rivista.
Il team ha analizzato gli effetti della portata, della viscosità e della proporzione dei due liquidi in ingresso sulla dimensione e sull’uniformità delle goccioline, nonché l’importanza della geometria e dei materiali della matrice di post. A tal fine, hanno prodotto diversi dispositivi microfluidici post-array personalizzati utilizzando una tecnica nota come litografia morbida. Utilizzando una videocamera ad alta velocità e algoritmi di analisi delle immagini, i ricercatori hanno potuto quantificare con precisione la dimensione delle goccioline e osservarne la formazione in dettaglio.
I risultati evidenziano l'importanza del numero capillare effettivo (Caeff) nel dispositivo post-array. In parole povere, Caeff è una misura relativa al fenomeno della capillarità che viene calcolata dalla viscosità, velocità e tensione superficiale dei liquidi in ingresso. "Abbiamo scoperto che le variazioni nella dimensione delle goccioline aumentavano da livelli quasi monodispersi a livelli polidispersi quando Caeff superava un particolare valore soglia a causa dell'aumento relativo delle dimensioni delle goccioline satellitari o secondarie", spiega il dott. Masui.
Inoltre, i ricercatori hanno identificato due distinte modalità di rottura delle goccioline che potrebbero essere descritte da equazioni simili a quelle utilizzate per le giunzioni a T microfluidiche, che sono relativamente più semplici e ben studiate come tipo di dispositivo di generazione di goccioline.
Nel complesso, i risultati di questo lavoro fanno luce sulla fisica alla base dei dispositivi post-array. Questa conoscenza sarà essenziale per migliorarne le prestazioni e l'applicabilità, come osserva il dottor Masui:"Il nostro studio contribuisce alla comprensione della rottura delle goccioline nei dispositivi post-array ed estende le loro proprietà uniche di generazione di goccioline per includere elevata produttività, alta frazione, processi di emulsionificazione robusti e continui."
Questi sforzi potrebbero aprire la strada a una produzione efficiente di emulsioni di alta qualità, portando non solo a cosmetici e vernici migliori, ma anche a innovazioni nella sintesi chimica e dei materiali e al progresso scientifico in biologia e medicina attraverso la microfluidica avanzata.
Ulteriori informazioni: Shuzo Masui et al, Comprensione della rottura delle goccioline in un dispositivo post-array con configurazione sheath-flow, Lab on a Chip (2023). DOI:10.1039/D3LC00573A
Informazioni sul giornale: Lab su un chip
Fornito dal Tokyo Institute of Technology
