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Dec 10, 2023

공동에서 코어/쉘 미세액적 형성을 위한 흐름도

과학 보고서 12권,

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 22010(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

균일한 크기를 갖는 코어/쉘 미세액적 형성은 동일 흐름 미세채널에서 수치적으로 조사됩니다. 세 가지 비혼화성 유체 사이의 인터페이스와 부피 분율 윤곽은 삼항 위상장 모델을 사용하여 캡처됩니다. 이전 연구에서는 미세 액적 크기의 효과적인 매개변수가 세 단계의 물리적 특성과 속도인 것으로 나타났습니다. 이러한 변수를 조정함으로써 수치 시뮬레이션에서 5가지 주요 흐름 패턴이 관찰됩니다. 코어/쉘 적하/슬러그 체제는 연속 상의 관성이 코어 및 쉘 상의 흐름을 깨고 물방울을 만들 때 관찰됩니다. 슬러그 체제에서 연속상은 관성이 적고 형성되는 액적은 채널 벽으로 둘러싸여 있는 반면, 적하 체제에서는 쉘 위상 유체가 연속상으로 둘러싸여 있습니다. 연속 유체 또는 쉘 유체 유량이 증가하면 적하 현상이 발생하여 분사 전환이 발생합니다. 세 가지 비혼화성 액체가 분산되지 않고 연속적으로 서로 평행하게 흐를 때 이를 층류라고 합니다. 튜빙 체제에서 코어 위상은 채널의 중앙 영역에서 연속적으로 흐르고, 쉘 위상은 코어 위상의 중앙 영역에 의해 형성된 고리에서 흐르며, 연속 위상은 쉘 위상 유체와 채널 벽 사이에서 흐릅니다. 웨버 수와 모세관 수를 사용하여 앞서 언급한 흐름 패턴을 구별하고 이러한 두 개의 무차원 변수를 기반으로 영역 전환 기준을 설정하기 위해 흐름 영역 지도가 제공됩니다. 마지막으로, 쉘 대 코어 위상 속도 비율을 사용하고 51개의 CFD 시뮬레이션을 수행하여 쉘 두께에 대한 상관 관계를 제안했습니다.

수성 3상 흐름, 특히 연속상1인 3상을 통한 단일 코어/쉘 미세 액적의 이동은 효율적인 열 및 질량 전달2, 원자력 안전 연구3, 효율적인 회복 기술4, 조직 공학5, 코팅 기술6 및 약물 전달 시스템7. 약물 전달, 생체 의학 영상 치료, 종양 치료 등의 분야에서 코어-쉘 구조의 잠재력으로 인해 지난 10년 동안 중요해졌습니다8.

정밀한 제어와 지속적인 작동9,10을 제공하기 위해 최근 수십 년 동안 3상 흐름과 미세유체 기술의 조합이 널리 연구되었습니다. 합성 시스템의 소형화는 향상된 화학적 합성뿐만 아니라 생물학 및 의료 응용 플랫폼을 위한 새로운 가능성을 제공합니다11. 미세 유체 장치의 코어-쉘 미세 액적(CSM) 형성에는 (1) 처리 정밀도 및 효율성 개선, (2) 다단계 플랫폼을 위한 설계 유연성, (3) 형상 미세 조정 특성에 대한 빠른 처리 결과 등 여러 가지 장점이 있습니다. 작은 물방울, (4) 원자재 및 시약 소비 감소로 인한 비용 절감, (5) 잠재적으로 유해한 화학 물질 및 시약의 사용이 훨씬 적기 때문에 보다 안전한 작업이 가능하고 환경에 미치는 영향이 줄어듭니다12.

코어-쉘 미세액적 형성을 위해 이중 에멀젼 접근법이 널리 사용됩니다. 다른 다단계 및 정교한 작업 외에도 합성 공정에는 생성된 액적의 용매 증발, 에멀젼, 정제 및 초음파 처리가 포함됩니다. 생성된 액적은 또한 적당한 회수율15, 좁은 크기 분포16 및 복잡한 미세 구조17를 가졌습니다. 대량 방법에서는 유체 관리가 어렵기 때문에 미세 유체 기술은 형성 및 입자 크기를 제어하는 ​​데 사용됩니다. 용해도19, 안정성, 시각적 자극20을 사용한 재활성화, 좁은 크기 분포, 코어 및 쉘 처리, 자율 기능은 기능성 재료의 빌딩 블록 모델로서 CSM의 가장 필수적인 측면입니다. 평면의 단일 또는 다중 재료, 코어/쉘 또는 복합재와 같은 다양한 유형의 코어-쉘 재료는 코어-쉘 재료로 분류될 수 있습니다22. 일반적으로 코어/쉘 구조는 내부 물질과 외부 층 물질을 갖는 것으로 정의됩니다23.