據麥姆斯咨詢報道，近期，日本東京工業大學（Tokyo Institute of Technology）的科學家們已經闡明了微流控柱陣列（post-array）裝置中液滴生成的詳細物理學原理。通過在不同操作條件下進行的各種實驗，他們深入了解了如何利用這些小型微流控裝置來生產均勻的乳液，這在分析化學、生物學、醫學、化妝品和材料科學領域具有潛在應用。

乳液是兩種不溶性液體的混合物，其中一種液體以小液滴形式分散存在于另一種液體之中。它們在日常生活中非常常見，例如牛奶、黃油、面霜、油漆和洗發水都是我們熟悉的例子。有趣的是，乳液在各領域的實驗室應用中也發揮著重要作用，包括分析化學、生物醫學研究和材料科學等。

在大多數情況下，這些應用都受益于分散著具有相似尺寸液滴的乳液，這種乳液也被稱為“單分散乳液”。科學家們一直在尋找高效的混合方法，來生產這種高度可控的乳液。在這方面，微流控技術已成為一種前景廣闊的方法。

特別是微流控柱陣列裝置是一種以高通量獲得所需液滴尺寸的乳液的有效方法。該裝置迫使微量的原油乳液通過一排間隔有規律的“柱子”。液滴在撞擊到“柱子”時會破裂，直至獲得更細、更單分散的乳液。然而，盡管這一過程看似簡單明了，但是微流控柱陣列裝置的詳細物理學原理卻十分復雜，人們對其了解甚少。

在最近發表于《芯片實驗室》（Lab on a Chip）期刊上的一項研究中，日本東京工業大學的研究團隊著手填補這一空白。該研究團隊包括Shuzo Masui博士和Takasi Nisako副教授，他們進行了一系列詳細的實驗，以了解微流控柱陣列裝置中的各種設計和操作參數對獲得乳液特性的影響。值得注意的是，這項研究的相關圖片被選為該期刊的封面圖片。

該研究團隊分析了兩種輸入液體的流速、粘度和比例對液滴尺寸和均勻性的影響，以及柱陣列的幾何形狀和材料的重要性。為此，他們使用一種被稱為軟光刻的技術制造了幾種定制的微流控柱陣列裝置。利用高速攝像機和圖像分析算法，研究人員可以精確量化液滴的尺寸，并詳細觀察其形成過程。

研究結果凸顯了有效毛細管數（Caeff）在微流控柱陣列裝置中的重要性。簡單地說，有效毛細管數是一個與毛細現象相關的指標，它是通過輸入液體的粘度、速度和表面張力計算得出的。Shuzo Masui博士解釋說：“我們發現，當有效毛細管數超過特定閾值時，由于衛星液滴或次級液滴的相對尺寸增加，液滴尺寸的變化會使其從準單分散增加到多分散水平。”

此外，研究人員還確定了兩種截然不同的液滴破裂模式，可以用類似于微流控T型接頭的方程式來描述，而微流控T型接頭相對簡單，作為一種液滴生成裝置得到了充分的研究。

總而言之，這項研究成果揭示了微流控柱陣列裝置的物理學原理。正如Shuzo Masui博士所觀察的那樣，這些知識對于提高其性能和適用性至關重要，他表示：“我們的研究有助于了解微流控柱陣列裝置中液滴的破裂，擴展了其獨特的液滴生成特性，包括高通量、高餾分、穩健和連續的乳化過程。”

幸運的話，這項研究將為高效生產高質量乳液鋪平道路，不僅能帶來更好的化妝品和油漆，還能通過先進的微流控技術實現化學和材料合成的創新，以及生物學和醫學的科學進步。

審核編輯：劉清