狭い流路内での効率的な電気浸透圧混合：パターン化された軟質層の役割

Efficient electroosmotic mixing in a narrow-fluidic channel: the role of a patterned soft layer.

• Harshad Sanjay Gaikwad
• Gaurav Kumar
• Pranab Kumar Mondal

抄録

本研究では、電気的強制力の影響を受けた軟質狭隘流路における新規かつ効率的な混合技術を提案する。本研究では、グラフト化された高分子電解質層(PEL)が電気二重層(EDL)を変調させ、印加された電場がパッチ部で局所的な電気浸透流(EOF)を発生させることを示した。このEOFは一次圧力駆動の流れとは逆方向に発達します。このような局所的なEOFは、一次流との運動量交換現象により、パッチング部にラム渦を形成し、その混合を促進する。本研究では、流れ関数・渦度のアプローチに沿って、主に混合現象の数値解析に焦点を当てています。本研究では, 対流混合領域での混合現象に対する異なるパターンの効果を定量的に記述することで明らかにした.また、混合効率、再循環帯の発生、混合長さの変化、ソフトマター系におけるせん断駆動型凝集運動への主要なパラメータの影響についても議論する。最後に、本問題の実用性を考慮し、流路内の混合効率が最大となる設計パラメータの値を明らかにする。

We propose a novel and efficient mixing technique in a soft narrow-fluidic channel under the influence of electrical forcing. We show that a grafted polyelectrolyte layer (PEL) added as a patch to the channel wall modulates the electrical double layer (EDL) so that an applied electric field initiates a local electroosmotic flow (EOF) at the patched section. This EOF develops in the opposite direction to the primary pressure-driven flow. This localized EOF leads to the formation of Lamb vortices at the patched sections through the phenomenon of momentum exchange with the primary stream and promotes the mixing therein. Our study, consistent with the stream-function/vorticity approach, primarily focuses on the numerical analysis of the mixing phenomena. Through a quantitative description, we reveal the effect of different patterns on the underlying mixing phenomena in the convective mixing regime. We also discuss the impact of key parameters on the mixing efficiency, the onset of the recirculation zone, variation in the mixing length, and the shear-driven aggregation kinetics in soft matter systems. Finally, considering the practicability of the present problem, we unveil the values of several design parameters for which the mixing efficiency in the channel reaches the maximum.