Skupienie przepływu

Flow focus w dynamice płynów to technologia , której celem jest wytwarzanie kropel lub bąbelków za pomocą prostych środków hydrodynamicznych . Produktem wyjściowym jest rozproszona ciecz lub gaz, często w postaci drobnego aerozolu lub emulsji . Nie jest wymagana żadna inna siła napędowa poza tradycyjnym pompowaniem, co stanowi kluczową różnicę w porównaniu z innymi porównywalnymi technologiami, takimi jak elektrorozpylanie (gdzie potrzebne jest pole elektryczne ). Zarówno skupienie przepływu, jak i elektrorozpylanie, pracujące w ich najszerzej stosowanym reżimie, wytwarzają wysokiej jakości spraye złożone z jednorodnych i dobrze kontrolowanych kropelek. Flow focus został wynaleziony przez prof. Alfonso M. Gañan-Calvo (który obecnie wykłada w ETSI w Sewilli) w 1994 r., opatentowany w 1996 r. i opublikowany po raz pierwszy w 1998 r.

Mechanizm

Podstawowa zasada polega na tym, że płyn w fazie ciągłej (płyn ogniskujący lub płyn osłonowy) flankuje lub otacza fazę rozproszoną (płyn skupiony lub płyn rdzeniowy), tak aby spowodować pękanie kropel lub pęcherzyków w pobliżu otworu, przez który oba płyny są wytłaczane. Zasadę można rozszerzyć na dwa lub więcej współosiowych płynów; gazy i ciecze mogą być łączone; oraz, w zależności od geometrii rury zasilającej i otworów, wzór przepływu może być cylindryczny lub płaski. Zarówno skupienie przepływu cylindrycznego, jak i płaskiego doprowadziło do różnych zmian (patrz także prace Petera Walzala).

Urządzenie do ogniskowania przepływu składa się z komory ciśnieniowej , w której znajduje się ciśnienie z ciągłym dopływem płynu ogniskującego. Wewnątrz, jeden lub więcej skoncentrowanych płynów jest wtryskiwanych przez kapilarną rurkę zasilającą, której koniec otwiera się przed małym otworem, łącząc komorę ciśnieniową z zewnętrznym otoczeniem. Ogniskujący strumień płynu formuje menisk płynu w guzek, powodując powstanie stałego mikro- lub nanostrumienia opuszczającego komorę przez otwór; rozmiar strumienia jest znacznie mniejszy niż otwór wylotowy, co wyklucza jakikolwiek kontakt (co może prowadzić do niepożądanego osadzania się lub reakcji). Niestabilność kapilar rozbija stały strumień na jednorodne kropelki lub bąbelki.

Rura zasilająca może składać się z dwóch lub więcej koncentrycznych igieł i różnych niemieszających się cieczy lub gazów, które mają być wstrzykiwane, co prowadzi do kropli związku. Po odpowiednim utwardzeniu takie krople mogą prowadzić do wielowarstwowych mikrokapsułek z wieloma otoczkami o kontrolowanej grubości. Skupianie przepływu zapewnia niezwykle szybką i kontrolowaną produkcję do milionów kropelek na sekundę, gdy strumień się rozpada.

Rola stycznego naprężenia lepkiego jest niezbędna do ustalenia stałego kształtu menisku w ogniskowaniu przepływu, jak pokazano w przypadku prostego strumienia cieczy otoczonego gazem. W przypadku braku wystarczająco silnego naprężenia stycznego uzyskuje się menisk o okrągłym wierzchołku. Zarówno wewnętrzna ciecz, jak i zewnętrzne przepływy gazu będą wykazywać stagnacji wokół okrągłego wierzchołka. Naprężenie powierzchniowe σ/D byłoby po prostu zrównoważone przez odpowiedni skok ciśnienia na granicy faz. Jeśli ktoś powoli przesuwa prędkość przepływu cieczy Q, system będzie okresowo wypluwał nadmiar cieczy, aby odzyskać równowagowy kształt okrągłego wierzchołka. Jednakże, gdy naprężenie styczne jest wystarczająco silne w porównaniu z σ /D, powierzchnia może zostać odkształcona w stały zwężający się kształt, co umożliwia ciągłe i płynne przyspieszanie cieczy pod połączonym działaniem spadku ciśnienia ΔP i stycznego naprężenia lepkiego τs na powierzchni cieczy.

Aplikacje

Flow focus może znaleźć zastosowanie między innymi w przemyśle spożywczym, medycznym, farmaceutycznym, kosmetycznym, fotograficznym i ochrony środowiska. Produkcja cząstek złożonych jest ważną dziedziną: można wymienić enkapsulację leków, cząstki znakowane barwnikiem i cząstki wielordzeniowe. Inne zastosowania obejmują cytometrię przepływową i obwody mikroprzepływowe. Środek kontrastowy, taki jak kropelki i mikropęcherzyki , można wytwarzać w urządzeniu mikroprzepływowym skupiającym przepływ.