Динамическое поведение газовых пузырьков и капель в магнитной жидкости в микрожидкостных чипах различной конфигурации в неоднородном магнитном поле

Цель. Исследовать динамическое поведение газовых пузырьков и капель в магнитной жидкости в микрожидкостных чипах различной конфигурации в неоднородном магнитном поле.

Методы. Исследование проводилось на экспериментальной установке для изучения многофазных систем в микроканалах, разработанной на основе известных методов. В качестве источника магнитного поля использовался кольцевой постоянный магнит, для подачи жидкостей в микрофлюидный чип использовался двухканальный шприцевой насос, изготовленный из набора для сборки 3D-принтера. Динамика капельных и пузырьковых течений фиксировалась с помощью оптического микроскопа. Микрофлюидные устройства изготовлены двумя способами: на основе сэндвич-структур с плёнкой парафильм и по технологии ESCARGOT.

Результаты. Проведен ряд экспериментов, в которых исследуется гидродинамика и гидроаэродинамика различных немагнитных и магнитных жидкостей в микрофлюидных чипах. Показано, как смачиваемость стенок микрофлюидных устройств влияет на формирование капель в канале. Результаты исследования зависимости размера немагнитных включений от изменения скорости потока магнитной жидкости показали, что объем генерируемых капель воды уменьшается за счет увеличения скорости потока непрерывной фазы или усиления напряженности магнитного поля, действующего на магнитную многофазную систему.

Вывод. В процессе проведения эксперимента установлено, что формирование капель в канале лучше всего прослеживалось в чипах на основе силиконового компаунда, где непрерывной средой являлось минеральное или синтетическое масло. Было определено, что размер и поверхность микроканала также оказывают влияние на образование эмульсий в микроканалах. Выбранная конфигурация чипа (фокусировка потока) является оптимальной для изучения немагнитных включений в МЖ, поэтому такой вид микрофлюидных устройств будет более перспективным для дальнейших исследований капельной гидродинамики в микрофлюидных системах.

1. Squires T. M., Quake S. R. Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale // Reviews of modern physics. 2005. Vol. 77, no. 3. P. 977.

2. Trapping and control of bubbles in various microfluidic applications / Y. Gao, M. Wu, Y. Lin, J. Xu // Lab on a Chip. 2020. Vol. 20, no. 24. P. 4512–4527. https://doi.org/10.1039/d0lc00906g.

3. Tan S. H., Semin B., Baret J. C. Microfluidic flow-focusing in ac electric fields // Lab on a Chip. 2014. Vol. 14, no. 6. P. 1099-1106. https://doi.org/10.1039/C3LC51143J.

4. Biosensors based on microfluidic devices lab-on-a-chip and microfluidic technology / G. P. Nikoleli, C. G. Siontorou, D. P. Nikolelis, S. Bratakou, S. Karapetis, N. Tzamtzis // Nanotechnology and biosensors / ed. by D. P. Nikolelis, G. P Nikoleli. Elsevier, 2018. P. 375–394. https://doi.org/10.1016/B9780-12-813855-7.00013-1.

5. Holtze C. Large-scale droplet production in microfluidic devices–an industrial perspective // Journal of Physics D: Applied Physics. 2013. Vol. 46, no. 11. P. 114008. https://doi.org/10.1088/0022-3727/46/11/114008.

6. Advanced microfluidic technologies for lipid nano-microsystems from synthesis to biological application / B. G. Carvalho, B. T. Ceccato, M. Michelon, Han S. W., L. G. de la Torre // Pharmaceutics. 2022. Vol. 14, no. 1. P. 141. https://doi.org/10.3390/pharmaceutics14010141.

7. Microfluidic devices for detection of RNA viruses / A. Basiri, A. Heidari, M. F. Nadi, M. T. P. Fallahy, S. S. Nezamabadi, M. Sedighi, A. Saghazadeh, N. Rezae // Reviews in medical virology. 2021. Vol. 31, no. 1. P. 1–11. https://doi.org/10.1002/rmv.2154.

8. Multifunctional microfluidic chip for cancer diagnosis and treatment / Q. R. Guo, L. L. Zhang, J. F. Liu, Z. Li, J. J. Li, W. M. Zhou, H. Wang, J. Q. Li, D. Y. Liu, X. Y. Yu, J. Y. Zhang // Nanotheranostics. 2021. Vol. 5, no. 1. P. 73. https://doi.org/10.7150/ntno.49614.

9. Multiphase microfluidic synthesis of micro-and nanostructures for pharmaceutical applications / R. Ran, Q. Sun, T. Baby, D. Wibowo, A. P. J. Middelberg, C.-X. Zhao // Chemical Engineering Science. 2017. Vol. 169. P. 78–96. https://doi.org/10.1016/j.ces.2017.01.008.

10. A review of current methods in microfluidic device fabrication and future commercialization prospects / B. K. Gale, A. R. Jafek, C. J. Lambert, B. L. Goenner, H. Moghimifam, U. C. Nze, S. K. Kamarapu // Inventions. 2018. Vol. 3, no. 3. P. 60. https://doi.org/10.3390/inventions3030060.

11. Overview of materials for microfluidic applications / E. Roy, A. Pallandre, B. Zribi, M. C. Horny, F. D. Delapierre, A. Cattoni, J. Gamby, A.-M. Haghiri‐Gosnet // Advances in Microfluidics-New Applications in Biology, Energy, and Materials Sciences. Book on Demand, 2016. P. 335–355. https://doi.org/10.5772/65773.

12. Scott S. M., Ali Z. Fabrication methods for microfluidic devices: An overview // Micromachines. 2021. Vol. 12, no. 3. P. 319. https://doi.org/10.3390/mi12030319.

13. Ren K., Zhou J., Wu H. Materials for microfluidic chip fabrication // Accounts of chemical research. 2013. Vol. 46, no. 11. P. 2396–2406. https://doi.org/10.1021/ar300314s.

14. Zhu P., Wang L. Passive and active droplet generation with microfluidics: a review // Lab on a Chip. 2017. Vol. 17, no. 1. P. 34–75. https://doi.org/10.1039/C6LC01018K.

15. Baroud C. N., Gallaire F., Dangla R. Dynamics of microfluidic droplets // Lab on a Chip. 2010. Vol. 10, no. 16. P. 2032–2045. https://doi.org/10.1039/C001191F.

16. Effects of viscosity, interfacial tension, and flow geometry on droplet formation in a microfluidic T-junction / J. D. Wehking, M. Gabany, L. Chew, R. Kumar // Microfluidics and nanofluidics. 2014. Vol. 16, no. 3. P. 441–453. https://doi.org/10.1007/s10404-013-1239-0.

17. Effects on droplet generation in step-emulsification microfluidic devices / Z. Liu, X. Liu, S. Jiang, C. Zhu, Y. Ma, T. Fu. // Chemical Engineering Science. 2021. Vol. 246, pp. 116959. https://doi.org/10.1016/j.ces.2021.116959.

18. Rosensweig R. E. Ferrohydrodynamics. Cambridge University Press, 1985. 348 p.

19. Analysis of the ferrofluid microstructure based on the static magnetic measurements / S. A. Sokolsky, A. Y. Solovyova, V. S. Zverev, M. Hess, A. Schmidt, E. A. Elfimova // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2021. Vol. 537. P. 168169. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2021.168169.

20. Ivanov A. S., Pshenichnikov A. F., Khokhryakova C. A. Floating of solid non-magnetic bodies in magnetic fluids: Comprehensive analysis in the framework of inductive approach // Physics of Fluids. 2020. Vol. 32, no. 11. P. 112007. https://doi.org/10.1063/5.0024195.

21. Zakinyan A. R., Zakinyan A. A. Rotating field induced torque on ferrofluid emulsion with deformable dispersed phase microdrops // Sensors and Actuators A: Physical. 2020. Vol. 314. P. 112347. https://doi.org/10.1016/j.sna.2020.112347.

22. Micro-magnetofluidics in microfluidic systems: A review / R. J. Yang, H. H. Hou, Y. N. Wang, L. M. Fu // Sensors and Actuators B: Chemical. 2016. Vol. 224. P. 1–15. https://doi.org/10.1016/j.snb.2015.10.053.

23. Tan S. H., Nguyen N. T., Yobas L., Kang T. G. Formation and manipulation of ferrofluid droplets at a microfluidic T-junction // Journal of Micromechanics and Microengineering. 2010. Vol. 20, no. 4. P. 045004. https://doi.org/10.1088/0960-1317/20/4/045004.

24. Nguyen N. T. Micro-magnetofluidics: interactions between magnetism and fluid flow on the microscale // Microfluidics and nanofluidics. 2012. Vol. 12, no. 1. P. 1–16. https://doi.org/10.1007/s10404011-0903-5.

25. Experimental investigation of on-demand ferrofluid droplet generation in microfluidics using a pulse-width modulation magnetic field with proposed correlation / M. A. Bijarchi, A. Favakeh, S. Alborzi, M. B. Shafii // Sensors and Actuators B: Chemical. 2021. Vol. 329. P. 129274. https://doi.org/10.1016/j.snb.2020.129274.

26. Manipulable formation of ferrofluid droplets in Y-shaped flow-focusing microchannels / D. Liang, P. Ma, C. Zhu, T. Fu, Y. Ma, K. Wang, G. Luo // Industrial & Engineering Chemistry Research. 2019. Vol. 58, no. 41. P. 19226–19238. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.9b02516.

27. Favakeh A., Bijarchi M. A., Shafii M. B. Ferrofluid droplet formation from a nozzle using alternating magnetic field with different magnetic coil positions // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2020. Vol. 498. P. 166134. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.166134.

28. Kinematics and deformation of ferrofluid droplets under magnetic actuation / N. T. Nguyen, A. Beyzavi, K. M. Ng, X. Huang // Microfluidics and Nanofluidics. 2007. Vol. 3, no. 5. P. 571–579. https://doi.org/10.1007/s10404-007-0150-y.

29. Liquid flow and control without solid walls / P. Dunne, T. Adachi, A. A. Dev, A. Sorrenti, L. Giacchetti, A. Bonnin, Bourdon C., P. H. Mangin, J. M. D. Coey, B. Doudin, T. M. Hermans // Nature. 2020. Vol. 581, no. 7806. P. 58–62. https://doi.org/10.1038/s41586-020-2254-4.

30. Label-free manipulation via the magneto-Archimedes effect: fundamentals, methodology and applications / Q. H. Gao, W. M. Zhang, H. X. Zou, W. B. Li, H. Yan, Z. K. Peng, G. Meng // Materials Horizons. 2019. Vol. 6, no. 7. P. 1359–1379. https://doi.org/10.1039/C8MH01616J.

31. Ryapolov P. A., Sokolov E. A., Postnikov E. B. Behavior of a gas bubble separating from a cavity formed in magnetic fluid in an inhomogeneous magnetic field // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2022. Vol. 549. P. 169067. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2022.169067.

32. Dynamics of nonmagnetic inclusions in a microchannel with a magnetic fluid in an inhomogeneous magnetic field / E. A. Sokolov, A. O. Vasilyeva, D. A. Kalyuzhnaya, P. A. Ryapolov // AIP Advances. 2022. Vol. 12, no. 3. P. 035333. https://doi.org/10.1063/9.0000306.

33. The behaviour of gas inclusions in a magnetic fluid in a non-uniform magnetic field / P. A. Ryapolov, V. M. Polunin, E. B. Postnikov, V. G. Bashtovoi, A. G. Reks, E. A. Sokolov // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2020. Vol. 497. P. 165925. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2019.165925.

34. Elasticity of an air cavity in a magnetic fluid on an annular magnet segment with changing magnetic field sign / V. M. Polunin, P. A. Ryapolov, K. S. Ryabtsev, N. S. Kobelev, I. A. Shabanova, V. V. Yushin, E. B. Postnikov // Russian Physics Journa. 2018. Vol. 61, no. 7. P. 1347–1357. https://doi.org/10.1007/s11182-018-1540-1.

35. Microfluidic devices with integrated controlled magnetic field sources / E. A. Sokolov, D. A. Kalyuzhnaya, A. O. Vasilyeva, P. A. Ryapolov // 2022 Conference of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic Engineering (ElConRus). St. Petresburg, LETI. 2022. P. 1612–1615.

36. Saggiomo V., Velders A. H. Simple 3D printed scaffold‐removal method for the fabrication of intricate microfluidic devices // Advanced science. 2015. Vol. 2, no. 9. P. 1500125. https://doi.org/10.1002/advs.201500125.