Científicos de Tokyo Tech han aclarado la física detallada detrás de la generación de gotas en dispositivos de microfluidos post-matriz. A través de varios experimentos realizados en diferentes condiciones operativas, obtuvieron importantes conocimientos sobre cómo se pueden utilizar estos pequeños dispositivos para producir emulsiones uniformes, con aplicaciones potenciales en química y biología analíticas, medicina, cosmética y ciencia de materiales.

Las emulsiones son mezclas de dos líquidos insolubles, en las que uno de los líquidos existe como una dispersión de pequeñas gotas en el otro. Son bastante comunes en la vida cotidiana; La leche, la mantequilla, las cremas faciales, la pintura y el champú son ejemplos familiares. Curiosamente, las emulsiones también desempeñan un papel importante en aplicaciones de laboratorio en diversos campos, incluida la química analítica, la investigación biomédica y la ciencia de materiales, entre otros.

En la mayoría de los casos, estas aplicaciones se benefician de tener emulsiones en las que las gotas dispersas comparten un tamaño similar, también llamadas "emulsiones monodispersas". Los científicos han estado buscando métodos de mezcla eficientes para producir este tipo de emulsiones con un alto grado de control. En este sentido, los microfluidos se han convertido en un enfoque prometedor.

En particular, los dispositivos microfluídicos posteriores a la matriz son una forma atractiva de obtener emulsiones con el tamaño de gota deseado con un alto rendimiento. Estos dispositivos fuerzan cantidades diminutas de emulsión cruda a través de una serie de postes espaciados regularmente. Estos postes rompen las gotas existentes al impactar hasta obtener una emulsión más fina y monodispersa. Sin embargo, aunque el proceso parece sencillo, la física detallada detrás de los dispositivos post-matriz de microfluidos es compleja y no se comprende bien.

En un estudio reciente publicado en la revista Lab on a Chip , un equipo de investigación del Instituto Tecnológico de Tokio (Tokyo Tech) en Japón se propuso abordar esta brecha de conocimiento. El equipo, incluido el Dr. Shuzo Masui y el profesor asociado Takasi Nisisako, realizó una serie de experimentos detallados para comprender cómo diversos parámetros operativos y de diseño en dispositivos post-matriz afectan las características de las emulsiones obtenidas. Cabe destacar que este estudio fue seleccionado para la imagen de portada de la revista.

El equipo analizó los efectos del caudal, la viscosidad y la proporción de los dos líquidos de entrada sobre el tamaño y la uniformidad de las gotas, así como la importancia de la geometría y los materiales de la matriz de postes. Con este fin, fabricaron varios dispositivos posteriores a la matriz de microfluidos personalizados utilizando una técnica conocida como litografía blanda. Utilizando una cámara de vídeo de alta velocidad y algoritmos de análisis de imágenes, los investigadores pudieron cuantificar con precisión el tamaño de las gotas y observar su formación en detalle.

Los resultados resaltan la importancia del número capilar efectivo (Caeff) en el dispositivo posterior a la matriz. En pocas palabras, Caeff es una medida relacionada con el fenómeno de capilaridad que se calcula a partir de la viscosidad, velocidad y tensión superficial de los líquidos de entrada. "Encontramos que las variaciones en el tamaño de las gotas aumentaban de niveles cuasi monodispersos a niveles polidispersos cuando Caeff excedía un valor umbral particular debido al aumento relativo del tamaño de las gotas satélite o secundarias", explica el Dr. Masui.

Además, los investigadores identificaron dos modos distintos de ruptura de gotas que podrían describirse mediante ecuaciones similares a las utilizadas para las uniones en T de microfluidos, que son relativamente más simples y están bien estudiadas como un tipo de dispositivo de generación de gotas.

En general, los hallazgos de este trabajo arrojan luz sobre la física detrás de los dispositivos post-matriz. Este conocimiento será esencial para mejorar su rendimiento y aplicabilidad, como observa el Dr. Masui:"Nuestro estudio contribuye a la comprensión de la ruptura de gotas en dispositivos post-matriz y amplía sus propiedades únicas de generación de gotas para incluir alto rendimiento, alta fracción, procesos de emulsificación robustos y continuos."

Estos esfuerzos podrían allanar el camino para una producción eficiente de emulsiones de alta calidad, lo que conduciría no solo a mejores cosméticos y pinturas, sino también a innovaciones en la síntesis química y de materiales y al progreso científico en biología y medicina a través de microfluidos avanzados.

Más información: Shuzo Masui et al, Comprensión de la ruptura de gotas en un dispositivo posterior a la matriz con configuración de flujo envolvente, Lab on a Chip (2023). DOI:10.1039/D3LC00573A

Información de la revista: Laboratorio en un chip

Proporcionado por el Instituto de Tecnología de Tokio