Adaptacja dyspersji Taylora do pomiaru współczynnika dyspersji roztworów elektrolitów za pomocą dostępnego zestawu mikroprzepływowego

Zakres naszych prac polega na zaprojektowaniu i wdrożeniu dostępnej platformy eksperymentalnej mikrofluidyki, która odpowie na szeroki zakres podstawowych pytań dotyczących płynów. Największym wyzwaniem jest opracowanie powtarzalnego, a jednocześnie elastycznego procesu produkcyjnego dla mikrokanałów z wystarczającą precyzją przy użyciu taniego sprzętu. Nasze badania mają na celu rozwiązanie obecnego braku łatwo dostępnych i dokładnych konfiguracji i protokołów eksperymentalnych do pomiaru zwiększonej dyfuzyjności gatunków elektrolitów.

Nasza platforma pozwala również na wizualizację wielogatunkowych oddziaływań jonowych. Nasza eksperymentalna konfiguracja i protokół są niedrogie, łatwo dostępne i dokładne. Zastosowana tania technika produkcji mikrokanałowej pozwala na produkcję niestandardowych chipów w ciągu kilku minut.

Aby rozpocząć, uruchom oprogramowanie do projektowania noży rzemieślniczych na podłączonym komputerze. Zaprojektuj górną część mikrokanału bezpośrednio w oprogramowaniu lub zaimportuj kompatybilny projekt z oprogramowania zewnętrznego. Następnie przymocuj poliestrowy prostokąt o wymiarach 21 na pięć centymetrów do lepkiej strony maty do cięcia.

Za pomocą taśmy maskującej przyklej taśmą wszystkie cztery krawędzie obwodu, aby zabezpieczyć prostokąt. Następnie załaduj matę do cięcia do noża rzemieślniczego, wyrównując zaznaczone krawędzie ze wskaźnikami strzałek na urządzeniu. Włóż ostrze w pierwszą szczelinę wózka noża rzemieślniczego.

Kliknij Wyślij znajdujący się w prawym górnym rogu strony projektu na monitorze, aby przejść do ekranu recenzji. Następnie ustaw głębokość ostrza na dziewięć, siłę na 33, przejścia na jeden i prędkość na jeden. Teraz kliknij Wyślij, aby przesłać zadanie do noża rzemieślniczego i rozpocząć proces cięcia.

Po wyjęciu maty do cięcia z noża, za pomocą pęsety usuń ujemny materiał poliestrowy z ciętego arkusza. Następnie zaprojektuj uszczelki poliamidowe w kształcie pączka za pomocą oprogramowania do projektowania noży rzemieślniczych lub zaimportuj projekt uszczelki z kompatybilnego oprogramowania. Przymocuj kawałek taśmy poliamidowej o długości 21 centymetrów lepką stroną do góry na macie do cięcia i zabezpiecz go taśmą maskującą wzdłuż wszystkich czterech krawędzi.

Wprowadź ustawienia cięcia dla taśmy poliamidowej o głębokości ostrza wynoszącej dziewięć, sile jednego, przejściach jednego i prędkości jeden. Kliknij Wyślij, aby przesłać zadanie cięcia uszczelek do noża rzemieślniczego. Następnie umieść wycięty arkusz poliestru na czystej, płaskiej powierzchni występami skierowanymi do góry.

Za pomocą pęsety odklej jedną uszczelkę z przeciętej taśmy poliamidowej i umieść ją na płaskim spodzie wydrukowanego w 3D portu. Dopasuj port do otworu wlotowego przepływu i za pomocą uszczelki przymocuj go do płasko ułożonego arkusza poliestrowego. Teraz w dygestorium nałóż niewielką ilość super kleju wzdłuż obwodu portu, jednocześnie dociskając go w dół, aby uzyskać wodoszczelne uszczelnienie.

Aby wyprodukować korpus mikrokanalika z poliamidu, zaprojektuj korpus mikrokanału za pomocą oprogramowania do projektowania frezów rzemieślniczych lub importując kompatybilny projekt zewnętrzny. Przymocuj pasek taśmy poliamidowej o długości 21 centymetrów lepką stroną do góry na macie do cięcia. Następnie załaduj matę do cięcia do noża rzemieślniczego, wyrównując zaznaczone krawędzie ze wskaźnikami strzałek na urządzeniu.

Kliknij Wyślij w prawym górnym rogu strony projektu, aby przejrzeć ustawienia materiału i cięcia. Stosować te same parametry skrawania, co w przypadku uszczelek. Kliknij przycisk Wyślij, aby przesłać zadanie cięcia do narzędzia do cięcia rzemieślniczego.

Następnie zdejmij matę do cięcia z noża i za pomocą pęsety usuń ujemny materiał poliamidowy z konstrukcji kanału. Teraz umieść taśmę poliamidową lepką stroną skierowaną do góry na płaskiej, czystej powierzchni. Ostrożnie umieść prostokąt poliestrowy na odsłoniętej taśmie poliamidowej, centrując pasek poliamidu na całej szerokości poliestru.

Za pomocą wałka dociśnij równomiernie w dół, aby wyeliminować duże pęcherzyki powietrza i sprawdź wzrokowo, czy nie ma żadnych zanieczyszczeń lub wypaczeń. Następnie odwróć zespół taśmy poliamidowej i zdejmij osłonę ochronną od strony kleju. Dopasuj górny arkusz poliestrowy zamontowany z portem wydrukowanym w 3D do wlotu i wylotu taśmy poliamidowej, a następnie ostrożnie połóż arkusz poliestrowy na warstwie poliamidu.

Aby skonfigurować pompę strzykawkową, napełnij szklaną strzykawkę o pojemności 0,5 mililitra wodą dejonizowaną. Zamontuj strzykawkę na programowalnej pompie strzykawkowej i naciśnij przycisk szybkiego przewijania do przodu, aż woda zacznie wypływać z końcówki strzykawki. Następnie wytnij 50-centymetrowy kawałek rurki z politetrafluoroetylenu.

Za pomocą pęsety połącz dwa końce rurki z końcówkami strzykawki o rozmiarze 27, wkładając rurkę na końcówki i ciągnąc ją w dół. Napełnij podłączoną końcówkę strzykawki i rurkę wodą dejonizowaną, aż w otworze końcówki utworzy się wypukły menisk. Przymocuj końcówkę do szklanej strzykawki zamontowanej na pompie, upewniając się, że ani w strzykawce, ani w końcówce nie ma pęcherzyków powietrza.

Ustawić pompę strzykawkową tylko w trybie zaparzania. Wprowadź typ i rozmiar strzykawki jako 0,5 mililitra do interfejsu pompy. Za pomocą taśmy maskującej o szerokości 2,54 centymetra przyklej w pełni zmontowaną końcówkę mikroprzepływową do panelu świetlnego.

Następnie zamontuj obiektyw makro 20 mm F2 w aparacie i podłącz go do zdalnego spustu. Ustaw statyw i zamontuj kamerę nad panelem świetlnym, pod kątem w dół, tak aby była skierowana w stronę eksperymentu. Wyśrodkuj widok na punkcie przechwytywania wyciętym w taśmie poliamidowej.

Zaprogramuj aparat za pomocą zdalnego spustu, aby robił zdjęcia co sekundę. Nałóż warstwę przezroczystej taśmy na otwór wlotowy znacznika, aby zapobiec wydostawaniu się cieczy, upewniając się, że jedna krawędź taśmy jest zagięta, tworząc małą zakładkę ułatwiającą usunięcie. Podłącz i uruchom programowalną pompę strzykawkową, aby delikatnie zalać mikrokanał wodą dejonizowaną o bardzo niskim natężeniu przepływu.

Następnie napełnij końcówkę mikropipety o pojemności 0,5 mikrolitra przygotowanym roztworem znacznikowym. Za pomocą złożonej zakładki odklej taśmę zakrywającą otwór wlotowy znacznika. Używając rogu chusteczki o niskiej zawartości kłaczków, delikatnie odchodź nadmiar dejonizowanej wody z otworu wlotowego i odczekaj 30 sekund, aż nabrzeża się ustabilizują.

Po 30 sekundach dozować roztwór znacznikowy do otworu wlotowego za pomocą pipety. Natychmiast wygładź taśmę z powrotem nad otworem, używając minimalnego nacisku i ciągłego ruchu, aby ponownie uszczelnić wlot. Po upewnieniu się, że pompa strzykawkowa jest zaprogramowana na docelowe objętościowe natężenie przepływu, uruchom pompę strzykawkową i jednocześnie uruchom zdalną kamerę, aby rozpocząć obrazowanie.

Jeśli poziome krawędzie nakładki prostokąta nie są wyrównane ze ścianami mikrokanałów, najedź kursorem na róg prostokąta, kliknij i obróć obraz, aż poziome ściany wyrównają się równolegle do ścian kanału. Naciśnij dowolny, aby kontynuować. Wyskakujące okienko obrazu zostanie zamknięte i ponownie otwarte z poprawioną orientacją.

Kliknij i przeciągnij, aby zaznaczyć kwadratowy obszar o bokach równych szerokości kanału, wyśrodkowany w punkcie przechwytywania. Naciśnij dowolny, aby kontynuować, a wyskakujące okienko obrazu zostanie zamknięte. Następnie wyodrębnij intensywność kanału niebieskiego dla każdego piksela w wybranym obszarze kadrowania z obrazu RGB.

Odwróć wartości, odejmując każdą z nich od 255, maksymalnej wartości kanału niebieskiego. Oblicza średnią wartość intensywności odwróconego kanału niebieskiego we wszystkich pikselach w przyciętym obszarze. Zapisz każdą obliczoną wartość, aby wygenerować szereg czasowy średniej intensywności odwróconego kanału niebieskiego w punkcie przechwytywania.

Użyj przybornika do dopasowywania krzywych nieliniowych w kodzie, aby wprowadzić pełną serię średnich intensywności odwróconego kanału niebieskiego. Uśrednione intensywności odwróconego kanału niebieskiego w czasie zostały wykreślone i wykazały ścisłą zgodność między danymi eksperymentalnymi a teoretycznym dopasowaniem dyspersji dostosowanej, z wyraźnie pokazanymi punktami czasowymi na 140 sekundach, 150 sekundach i 200 sekundach. Wyniki współczynnika dyspersji z eksperymentów przy trzech różnych proporcjach wykazały dobrą zgodność z przewidywaniami teoretycznymi.