Микрофлюидные устройства со встроенными управляемыми источниками магнитного поля

Цель работы. Разработать эффективную технологию создания микрофлюидных чипов для исследования динамики магнитных жидких сред с немагнитными включениями с помощью управляемого воздействия источниками магнитного поля на основе постоянных магнитов, электромагнитов, а также их комбинации.   

Методы. Рассмотрено несколько методов изготовления микрофлюидных чипов на основе сэндвич-структуры с использованием пленки Parafilm®, а также микрофлюидики PDMS с использованием стандартного 3D-принтера, ABS-пластика и ацетона. Эксперименты проведены на установках, разработанных на основе известных методов и оборудования для магнитных измерений и изготовленных самостоятельно. В качестве источников неоднородного магнитного поля используются различные комбинации электрических катушек и постоянных магнитов.  

Результаты. Проведён аналитический обзор известных методов производства микрофлюидных чипов. Большинство из них требуют дорогостоящего оборудования и чистых комнат, однако ряд из них основан на использовании доступных расходных материалов и не требует специфических условий. К ним относятся технологии на основе пленки Parafilm®, а также PDMS чипы с удаляемым ABS каркасом. С использованием каждой из технологий была изготовлена серия микрофлюидных чипов, в процессе производства которых менялись технологические параметры: температура, давление и время спекания, состав полимерной матрицы и технология промывки. Оптимальная технология производства была определена на основании микроскопического анализа и технологических испытаний.

Заключение. В работе рассмотрено несколько технологий производства микрофлюидных устройств.

Определены оптимальные параметры изготовления чипов на основе сэндвич-структур Plexiglass – Parafilm® – Plexiglass. Предложен оригинальный вариант изготовления микрофлюидного устройства с интегрированным миниатюрным источником магнитного поля на основе технологии ESCARGOT. Полученные результаты могут быть полезны для разработки устройств по управляемому воздействию на умные материалы в микрофлюидных чипах.

1. Rosensweig R. E. Ferrohydrodynamics. Courier Corporation, 1985. 348 p.

2. Такетоми С., Тикадзуми С. Магнитные жидкости. М.: Мир, 1993. 272 с.

3. Synchronous magnetic control of water droplets in bulk ferrofluid / G. Katsikis, A. Breant, A. Rinberg, M. Prakash // Soft matter. 2018. Vol. 14, No. 5. P. 681–692. 4. Баштовой В. Г., Берковский Б. М., Вислович А. Н. Введение в термомеханику магнитных жидкостей. М.: ИВТАН, 1985. 188 с.

4. Полунин В. М. Акустические эффекты в магнитных жидкостях. М.: Физматлит, 2008. 208 с.

5. Instability of the flow of a magnetic liquid pushing down an air cavity / M. L. Boev, V. M. Polunin, P. A. Ryapolov, V. G. Bashtovoi, A. G. Reks, Yu. B. Kazakov, I. M. Aref’ev,

6. T. A. Aref’eva // Russian Physics Journal. 2015. Vol. 57, is. 10. P. 1348–1355. 7. Возмущение намагниченности магнитной жидкости ультрамалыми тепловыми колебаниями, сопровождающими звуковую волну / В. М. Полунин, А. М. Стороженко, П. А. Ряполов, А. О. Танцюра, Ю. Б. Казаков, Т. А. Арефьева, И. М. Арефьев, Ю. А. Нерочев, В. И. Коротковский // Акустический журнал. 2014. Т. 60, № 5. С. 476–482.

7. Захват и передислокация порции воздуха управляемым потоком нанодисперсной магнитной жидкости / В. Г. Баштовой, В. М. Полунин, М. Л. Боев, П. А. Ряполов // Нанотехника. 2013. № 1(33). С. 84–91.

8. Захват воздушной полости плоским каналом с магнитной жидкостью в кольцевом магните / П. А. Ряполов, В. М. Полунин, Е. Б. Постников, В. Г. Баштовой, А. Г. Рекс, Е. А. Соколов // Известия высших учебных заведений. Физика. 2020. Т. 63, № 6. С. 163– 169.

9. Ряполов П. А., Соколов Е. А. Динамика немагнитных жидких и газообразных включений в магнитной жидкости в магнитном поле кольцевого магнита // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2021. Т. 11, № 1. С. 102–113.

10. Synchronous magnetic control of water droplets in bulk ferrofluid / G. Katsikis, A. Breant, A. Rinberg, M. Prakash // Soft matter. 2018. Vol. 14, No. 5. P. 681–692.

11. Zakinyan A. R., Zakinyan A. A. Rotating field induced torque on ferrofluid emulsion with deformable dispersed phase microdrops // Sensors and Actuators A: Physical. 2020.

12. Vol. 314. P. 112347.

13. Magnetic field-driven deformation, attraction, and coalescence of nonmagnetic aqueous droplets in an oil-based ferrofluid / C. A. Rigoni, J. Fresnais, D. Talbot, R. Massart, R. Perzynski, J. C. Bacri, A. Abou-Hassan // Langmuir. 2020. Vol. 36, No. 18. P. 5048–5057.

14. Cross-stream migration and coalescence of droplets in a microchannel co-flow using magnetophoresis / U. Banerjee, C. Mandal, S. K. Jain, A. K. Sen // Physics of Fluids. 2019. Vol. 31, No. 11. P. 112003.

15. Active droplet generation in microfluidics / Z. Z. Chong, S. H. Tan, A. M. GañánCalvo, S. B. Tor, N. H. Loh, N. T. Nguyen // Lab on a Chip. 2016. Vol. 16, No. 1. P. 35–58.

16. Wang Q., Bentley M. R., Steinbock O. Self-organization of layered inorganic membranes in microfluidic devices // The Journal of Physical Chemistry C. 2017. Vol. 121, No. 26. P. 14120–14127.

17. Gravity effects on mixing with magnetic micro-convection in microfluidics / G. Kitenbergs, A. Tatuļčenkovs, L. Puķina, A. Cēbers // The European Physical Journal E. 2018. Vol. 41, No. 11. P. 1–11.

18. Yu L., Shi Z. Z. Microfluidic paper-based analytical devices fabricated by low-cost photolithography and embossing of Parafilm® // Lab on a Chip. 2015. Vol. 15, No. 7. P. 1642– 1645.

19. Fast prototyping of a customized microfluidic device in a non-clean-room setting by cutting and laminating Parafilm® / Y. Lu, Z. Shi, L. Yu, C. M. Li // RSC advances. 2016. Vol. 6, No. 88. P. 85468–85472.

20. 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.

21. 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.

22. Поведение капель воды в магнитной жидкости в неоднородном магнитном поле кольцевого магнита / П. А. Ряполов, Е. А. Соколов, И. А. Шабанова, А. О. Васильева, Д. А. Калюжная, А. В. Кузько // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2020. Т. 10, № 3. С. 45–57.