How interfaces in flow determine droplet breakup and behavior

Abstract

Droplet based microfluidics today is a popular tool for miniaturized (bio-)chemical analysis and synthesis. Despite large scientific efforts, a profound understanding of droplet formation and of the dynamics of droplets in microchannels is still wanted, both determined by interfacial forces and dynamic effects. Droplet formation is studied for a liquid filament subject to a sudden release of confinement. Characterizing the filament shape, the transition between two distinct breakup regimes is predicted by a simple geometric criterion. Additional breakup regimes are reported and described upon increasing the width of the filament. The internal flow field of elongated droplets in rectangular microchannels is demonstrated to qualitatively change with increasing droplet velocity, caused by deformation of the droplet's outer shape. Consequently, the velocity dependent accumulation of particles within droplets is explained by the interplay between the internal flow field and gravity driven sedimentation. Application of this field free particle accumulation to on-chip particle and cell enrichment is demonstrated. Additionally, a method to directly characterize the influence of defocused tracer particles on flow velocities measured by µPIV is proposed to facilitate design of experiments and interpretation of velocity fields measured in three dimensional flows.

Tropfenbasierte Mikrofluidik ist eine beliebte Methode zur Miniaturisierung (bio-)chemischer Analysen und Synthesen. Allerdings mangelt es bis heute an einem vollständigen Verständnis der Tropfenbildung und der Strömung von Tropfen in Mikrokanälen, welche beide durch Grenzflächenkräfte und dynamische Effekte beeinflusst werden. Tropfenbildung wurde im Rahmen dieser Arbeit am Beispiel des Zerfalls flüssiger Filamente an einer topografischen Stufe untersucht. Durch Charakterisierung der Filamentform konnte der Übergang zwischen zwei Regimen der Tropfenproduktion mittels eines einfachen geometrischen Kriteriums vorhergesagt werden. Weitere Regime wurden für breitere Filamente gefunden und beschrieben. Weiterhin wird gezeigt, dass die sich die Strömung in länglichen Tropfen in rechteckigen Mikrokanälen mit zunehmender Tropfengeschwindigkeit strukturell ändert, was durch die zunehmende Deformation der Tropfen verursacht wird. Folglich lässt sich die geschwindigkeitsabhängige Akkumulation von Partikeln in länglichen Tropfen durch das Zusammenspiel von innerer Strömung und Sedimentation erklären. Die Anwendbarkeit dieses Effekts für 'On-Chip' Partikel- und Zellanreicherung wird aufgezeigt. Zusätzlich wird ein Verfahren eingeführt, mit dem sich der Einfluss defokusierter Tracerpartikel auf Strömungsmessungen mittels µPIV bestimmen lässt. Dies erleichtert sowohl die Versuchsplanung als auch die Interpretation von Messungen in dreidimensionalen Strömungen.