微流控柱阵列装置中微小液滴的形成原理介绍

据麦姆斯咨询报道，近期，日本东京工业大学（Tokyo Institute of Technology）的科学家们已经阐明了微流控柱阵列（post-array）装置中液滴生成的详细物理学原理。通过在不同操作条件下进行的各种实验，他们深入了解了如何利用这些小型微流控装置来生产均匀的乳液，这在分析化学、生物学、医学、化妆品和材料科学领域具有潜在应用。 

乳液是两种不溶性液体的混合物，其中一种液体以小液滴形式分散存在于另一种液体之中。它们在日常生活中非常常见，例如牛奶、黄油、面霜、油漆和洗发水都是我们熟悉的例子。有趣的是，乳液在各领域的实验室应用中也发挥着重要作用，包括分析化学、生物医学研究和材料科学等。

在大多数情况下，这些应用都受益于分散着具有相似尺寸液滴的乳液，这种乳液也被称为“单分散乳液”。科学家们一直在寻找高效的混合方法，来生产这种高度可控的乳液。在这方面，微流控技术已成为一种前景广阔的方法。

特别是微流控柱阵列装置是一种以高通量获得所需液滴尺寸的乳液的有效方法。该装置迫使微量的原油乳液通过一排间隔有规律的“柱子”。液滴在撞击到“柱子”时会破裂，直至获得更细、更单分散的乳液。然而，尽管这一过程看似简单明了，但是微流控柱阵列装置的详细物理学原理却十分复杂，人们对其了解甚少。

在最近发表于《芯片实验室》（Lab on a Chip）期刊上的一项研究中，日本东京工业大学的研究团队着手填补这一空白。该研究团队包括Shuzo Masui博士和Takasi Nisako副教授，他们进行了一系列详细的实验，以了解微流控柱阵列装置中的各种设计和操作参数对获得乳液特性的影响。值得注意的是，这项研究的相关图片被选为该期刊的封面图片。

该研究团队分析了两种输入液体的流速、粘度和比例对液滴尺寸和均匀性的影响，以及柱阵列的几何形状和材料的重要性。为此，他们使用一种被称为软光刻的技术制造了几种定制的微流控柱阵列装置。利用高速摄像机和图像分析算法，研究人员可以精确量化液滴的尺寸，并详细观察其形成过程。

研究结果凸显了有效毛细管数（Caeff）在微流控柱阵列装置中的重要性。简单地说，有效毛细管数是一个与毛细现象相关的指标，它是通过输入液体的粘度、速度和表面张力计算得出的。Shuzo Masui博士解释说：“我们发现，当有效毛细管数超过特定阈值时，由于卫星液滴或次级液滴的相对尺寸增加，液滴尺寸的变化会使其从准单分散增加到多分散水平。”

此外，研究人员还确定了两种截然不同的液滴破裂模式，可以用类似于微流控T型接头的方程式来描述，而微流控T型接头相对简单，作为一种液滴生成装置得到了充分的研究。

总而言之，这项研究成果揭示了微流控柱阵列装置的物理学原理。正如Shuzo Masui博士所观察的那样，这些知识对于提高其性能和适用性至关重要，他表示：“我们的研究有助于了解微流控柱阵列装置中液滴的破裂，扩展了其独特的液滴生成特性，包括高通量、高馏分、稳健和连续的乳化过程。”

幸运的话，这项研究将为高效生产高质量乳液铺平道路，不仅能带来更好的化妆品和油漆，还能通过先进的微流控技术实现化学和材料合成的创新，以及生物学和医学的科学进步。

审核编辑：刘清