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Mar 31, 2023

Um mapa de fluxo para a formação de microgotículas de núcleo/casca no co

Relatórios Científicos volume 12,

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 22010 (2022) Citar este artigo

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A formação de microgotículas de núcleo/casca com tamanho uniforme é investigada numericamente no microcanal de co-fluxo. A interface e o contorno da fração de volume entre três fluidos imiscíveis são capturados usando um modelo de campo de fase ternário. Pesquisas anteriores mostraram que os parâmetros efetivos do tamanho das microgotículas são as propriedades físicas e a velocidade das três fases. Ajustando essas variáveis, cinco padrões principais de fluxo são observados em simulações numéricas. Um regime de gotejamento de núcleo/casca/slug é observado quando a inércia da fase contínua quebra o fluxo das fases de núcleo e casca e forma uma gota. No regime slug, a fase contínua tem menor inércia, e as gotas que se formam são envoltas pelas paredes do canal, enquanto no regime gotejamento, o fluido da fase casca é envolto pela fase contínua. Um aumento na taxa de fluxo de fluido contínuo ou fluido de casca leva ao gotejamento para uma transição de jato. Quando três líquidos imiscíveis fluem continuamente e paralelamente um ao outro sem se dispersar, isso é conhecido como fluxo laminar. No regime tubular, a fase de núcleo flui continuamente na região central do canal, a fase de casca flui no anular formado pela região central da fase de núcleo e a fase contínua flui entre o fluido da fase de casca e as paredes do canal. A fim de discriminar entre os padrões de fluxo acima mencionados usando números de Weber e capilares e estabelecer critérios de transição de regime com base nessas duas variáveis ​​adimensionais, um mapa de regime de fluxo é fornecido. Finalmente, foi proposta uma correlação para a espessura da casca usando a razão de velocidade de fase casca-núcleo e conduzindo 51 simulações de CFD.

Fluxos trifásicos aquosos, particularmente o movimento de uma única microgota de núcleo/casca através da terceira fase como uma fase contínua1, são úteis em uma ampla gama de aplicações industriais e médicas, incluindo calor eficiente e transferência de massa2, estudo de segurança nuclear3, técnicas eficientes de recuperação4, engenharia de tecidos5, tecnologia de revestimento6 e sistemas de administração de medicamentos7. Devido ao potencial das estruturas core-shell em áreas como administração de medicamentos, tratamento com imagens biomédicas e terapia tumoral, elas se tornaram importantes na última década8.

Uma combinação de fluxos trifásicos com tecnologia microfluídica tem sido amplamente investigada nas últimas décadas, a fim de fornecer controle preciso e operação contínua9,10. A miniaturização de sistemas de síntese oferece novas possibilidades de síntese química aprimorada, bem como uma plataforma de aplicações biológicas e médicas11. A formação de microgotículas núcleo-concha (CSMs) em dispositivos microfluídicos tem várias vantagens: (1) maior precisão e eficiência de processamento, (2) flexibilidade de design para uma plataforma de várias etapas, (3) resultados rápidos de retorno para propriedades de ajuste fino de formas gotículas, (4) economia de custos com a redução do consumo de matéria-prima e reagente e (5) usando significativamente menos produtos químicos e reagentes potencialmente nocivos permite operações mais seguras e um impacto reduzido no meio ambiente12.

Para a formação de microgotículas núcleo-casca, a abordagem de dupla emulsão é amplamente utilizada13. Além de outras operações sofisticadas e de várias etapas, o processo de síntese inclui evaporação do solvente, emulsão, purificação e sonicação das gotículas produzidas14. As gotículas produzidas também tiveram taxas de recuperação modestas15, distribuições de tamanho estreitas16 e microestruturas complexas17. As tecnologias microfluídicas são usadas para controlar a formação e o tamanho das partículas devido à dificuldade de gerenciamento de fluidos em métodos a granel18. Solubilidade19, estabilidade, reativação usando estímulos visuais20, distribuição de tamanho estreita, processamento de núcleo e casca e capacidades autonômicas são os aspectos mais essenciais dos CSMs como um modelo de bloco de construção para materiais funcionais21. Muitos tipos distintos de materiais núcleo-casca, como materiais simples ou múltiplos em plano, núcleo/casca ou compósitos, podem ser classificados como materiais núcleo-casca22. Em geral, as estruturas de núcleo/casca são definidas como tendo uma matéria interna e um material de camada externa23.