Microfluidic Interfacial Tension

Abstract

En metode for å måle overflatespenning ved hjelp av microfluidics har blitt utviklet. Utviklingen av modellen følger metodikk publisert i litteraturen. En ikke-ionisk surfaktant ble brukt for å manipulere overflatespenning og deformasjon av dråper ble brukt for å fastslå grenseflatespenningen.

Det eksperimentelle oppsettet inkluderer spesiallagde chips med en serie ekspansjoner og innsnevringer. En pumpe ble brukt for å kontrollere strømmingen i chipen og et invertert mikroskop ble brukt for å observere chippen. Et høyhastighets kamera ble brukt for for å ta bilder av strømningen og et nevralt nettverk ble brukt for å analysere bildene i etterkant. Parametere i modellen ble bestemt ved å tilpasse resultatene til målinger gjort med et ring tensiometer. Validering av modellen er diskutert og en sensitivitets analyse er gjennomført. Både dynamiske og statiske målinger er presentert, med god nøyaktighet. Fenomener relatert til dråpe relaksjon er observert, men ikke diskutert videre grunnet tidsbegrensinger.

Den utviklede metoden har flere fordeler. Prøve størrelsen er redusert med en faktor av ti i forhold til ring tensiometeret. Tiden per måling er redusert fra dager til timer. Muligheten for å bruke det samme instrumentet til flere typer målinger gjør microfluidics til en lovende teknologi i fremtidens labber. Når det er sagt så ble flere svakheter ved metoden identifisert. Modellen utviklet er ikke universal. Det betyr at for hvert olje/surfaktant system må modellens parametere fastslåes på nytt. På dette stadiet er modellen fortsatt avhengig av et tradisjonelt tensiometer, og kan derfor ikke brukes frittstående.

Fremtidig arbeid inkluderer utforskingen av nye chip design og kjemiske systemer. Å utvikle en modell som relaterer deformasjon til overflatespenning gjennom naturlover vil være en stor forbedring.

A method for interfacial tension measurements using microfluidic technology has been developed. The development follow methodology published in literature. A non-ionic surfactant was employed to manipulate the interfacial tension and the deformation of droplets was used to determine the IFT.

The experimental setup included specially designed chips with a series of expansions and constrictions. Syringe pumps were used to manipulate the flow in the chip, and an inverted microscope was used to observe the chip. A high-speed camera was used to capture the flow and recordings were analysed by a neural network. A model was fitted to the systems by using measurements from a ring tensiometer as reference. The validity of the model was examined, and a sensitivity analysis was made. Dynamic and static IFT measurements was achieved with good accuracy. Some phenomena related to droplet relaxation was observed, but not explored further due to time constraints.

The developed measurement technique offers several advantages. The sample size is reduced tenfold in comparison to the ring tensiometer. The measurement time was reduced from days to hours. The possibilities of using the setup for several applications makes the microfluidic tensiometry a promising technology in future labs. However, some weaknesses are identified. No universal model has been developed. This means that for any oil/surfactant system the model must be developed. This development still requires a traditional tensiometer meaning the technology is not stand-alone yet.

Future work includes the exploration of different chip designs and chemical composition. Developing a new methodology of model development where deformation is related to the interfacial tension through natural laws would be a large improvement.