A física detalhada por trás da geração de gotículas em dispositivos microfluídicos pós-matriz foi esclarecida por cientistas da Tokyo Tech. Através de vários experimentos realizados sob diferentes condições operacionais, eles obtiveram insights importantes sobre como esses pequenos dispositivos podem ser usados ​​para produzir emulsões uniformes, com aplicações potenciais em química analítica e biologia, medicina, cosméticos e ciência de materiais.



Emulsões são misturas de dois líquidos insolúveis, em que um dos líquidos existe como uma dispersão de pequenas gotículas no outro. São bastante comuns na vida cotidiana; leite, manteiga, cremes faciais, tintas e xampus são exemplos familiares. Curiosamente, as emulsões também desempenham um papel importante em aplicações laboratoriais em vários campos, incluindo química analítica, investigação biomédica e ciência dos materiais, entre outros.

Na maioria dos casos, essas aplicações se beneficiam por terem emulsões nas quais as gotículas dispersas compartilham um tamanho semelhante, também chamadas de “emulsões monodispersas”. Os cientistas têm procurado métodos de mistura eficientes para produzir tais emulsões com alto grau de controle. Nesse sentido, a microfluídica emergiu como uma abordagem promissora.

Particularmente, os dispositivos microfluídicos pós-matriz são uma forma atraente de obter emulsões com um tamanho de gota desejado em alto rendimento. Esses dispositivos forçam pequenas quantidades de emulsão bruta através de uma série de postes regularmente espaçados. Esses pinos quebram as gotículas existentes com o impacto até que uma emulsão mais fina e monodispersa seja obtida. No entanto, embora o processo pareça simples, a física detalhada por trás dos dispositivos microfluídicos pós-matriz é complexa e não é bem compreendida.

Em um estudo recente publicado na revista Lab on a Chip , uma equipe de pesquisa do Instituto de Tecnologia de Tóquio (Tokyo Tech), no Japão, decidiu resolver essa lacuna de conhecimento. A equipe, incluindo o Dr. Shuzo Masui e o professor associado Takasi Nisisako, realizou uma série de experimentos detalhados para entender como vários parâmetros operacionais e de design em dispositivos pós-matriz afetam as características das emulsões obtidas. Notavelmente, este estudo foi selecionado para a imagem de capa da revista.

A equipe analisou os efeitos da vazão, viscosidade e proporção dos dois líquidos de entrada no tamanho e uniformidade das gotas, bem como a importância da geometria e dos materiais do conjunto de pós. Para esse fim, eles fabricaram vários dispositivos microfluídicos pós-matriz personalizados usando uma técnica conhecida como litografia suave. Usando uma câmera de vídeo de alta velocidade e algoritmos de análise de imagem, os pesquisadores puderam quantificar com precisão o tamanho das gotas e observar detalhadamente sua formação.

Os resultados destacam a importância do número capilar efetivo (Caeff) no dispositivo pós-matriz. Simplificando, Caeff é uma medida relacionada ao fenômeno de capilaridade que é calculada a partir da viscosidade, velocidade e tensão superficial dos líquidos de entrada. "Descobrimos que as variações no tamanho das gotículas aumentaram de níveis quase monodispersos para polidispersos quando Caeff excedeu um valor limite específico devido ao aumento relativo do tamanho em gotículas satélites ou secundárias", explica o Dr.

Além disso, os pesquisadores identificaram dois modos distintos de ruptura de gotículas que poderiam ser descritos por equações semelhantes às usadas para junções T microfluídicas, que são relativamente mais simples e bem estudadas como um tipo de dispositivo de geração de gotículas.

No geral, as descobertas deste trabalho lançam luz sobre a física por trás dos dispositivos pós-matriz. Este conhecimento será essencial para aumentar seu desempenho e aplicabilidade, como observa o Dr. Masui:"Nosso estudo contribui para a compreensão da quebra de gotículas em dispositivos pós-matriz e estende suas propriedades exclusivas de geração de gotículas para incluir alto rendimento, alta fração, processos de emulsificação robustos e contínuos."

Estes esforços poderão abrir caminho à produção eficiente de emulsões de alta qualidade, conduzindo não só a melhores cosméticos e tintas, mas também a inovações na síntese química e de materiais e ao progresso científico na biologia e na medicina através de microfluídica avançada.

Mais informações: Shuzo Masui et al, Understanding droplet breakup in a post-array device with sheath-flow configuration, Lab on a Chip (2023). DOI:10.1039/D3LC00573A
Informações do diário: Laboratório em um Chip

Fornecido pelo Instituto de Tecnologia de Tóquio