Método y dispositivo electro-fluídico para producir emulsiones y suspensión de partículas.

Dispositivo electro-fluídico para producir emulsiones y suspensiones de partículas que comprende:

un micro-canal (3,103) que comprende un fluido dieléctrico (2,102) fluyendo a través de dicho micro-canal (3,103), una primera punta capilar (1,1',101,101') sumergida en dicho líquido dieléctrico (2,102) que fluye a través de dicho micro-canal (3,103);

un primer fluido conductor (8, 8', 108, 108') que fluye a través de la primera punta capilar (1,1',101,101') en la misma dirección que el fluido dieléctrico (2,102) y que es inmiscible i pobremente miscible con dicho fluido dieléctrico (2,102); y

un segundo fluido conductor (5, 105, 105') que fluye a través de una segunda punta capilar (4, 104, 104') sumergida en el fluido dieléctrico (2,102); donde dichos primer (8, 8', 108, 108') y segundo (5, 105, 105') fluidos conductores son dirigidos uno en contra del otro en contra-corriente, formando de este modo una interfaz estacionaria (6,6',106,106',116,116');

donde el dispositivo también comprende medios para aplicar una diferencia de potencial eléctrico (9, 109) a dichos fluidos conductores, formando de este modo un chorro capilar estacionario que produce una caravana de gotas cargadas (11,111) que fluye hacia la interfaz estacionaria (6,6',106,106',116,116') y forma una emulsión; y

donde dicho dispositivo además comprende un hueco (7,107) configurado para descargar la emulsión que se ha formado.

Método y dispositivo electro-fluídico para producir emulsiones y suspensión de partículas.

La invención hace referencia a un método y aparato para producir emulsiones y suspensión de partículas empleando fuerzas electro-hidródinámicas y microfluídica. Este uso combinado permite la producción de gotas con diámetros medios que, por una parte, pueden ser menores que aquellos que se obtienen en aparatos convencionales de microfluídica y, por otra, mayores que los obtenidos mediante electrospray, cubriendo el rango de tamaños que estos métodos obtienen de manera independiente.

Estado de la técnica Métodos top-down de producción de micro y nanopartículas requieren de la división de un pedazo macroscópico (por ejemplo milimétrico) de materia, generalmente un líquido, en pequeños pedacitos de tamaño micro o nanométrico. La tensión superficial se opone fuertemente al enorme incremento de superficie (interfaz) inherente a este proceso divisorio. Así, para producir esas pequeñas partículas es necesario aportar energía a la interfaz. Dicha energía es el resultado de un trabajo mecánico realizado sobre la interfaz por alguna fuerza externa, como por ejemplo las fuerzas hidrodinámicas, las fuerzas eléctricas, etc. Dependiendo de cómo se aplica la energía pueden distinguirse dos clases de métodos.

En uno de ellos, como es el caso de las técnicas de emulsión mecánicas, el campo de fuerzas empleado (flujo extensional y cortante) para romper la interfaz entre dos líquidos inmiscibles es tan poco homogéneo que, en general, las gotas generadas presentan una distribución de tamaños muy ancha. Aunque es posible alcanzar un grado de monodispersidad elevado para combinaciones muy particulares de los parámetros del proceso de emulsión (intensidad de cortante, velocidades de rotación, temperatura, etc.) y de las sustancias a emulsionar. Sin embargo, estas condiciones podrían dejar de existir si alguna de las sustancias se sustituye por otra, si se añade alguna sustancia nueva, o si se desea un tamaño medio diferente. Lo mismo aplica a la formación de cápsulas. Más aún, en muchos casos las estructuras que se forman dependen de interacciones químicas, lo que impide que el proceso sea aplicable a una variedad amplia de sustancias.

En el otro grupo de métodos, que tiene la ventaja de basarse en mecanismos puramente físicos, las fuerzas estiran la interfaz de una forma estacionaria y suave sin romperla hasta que al menos uno de sus radios de curvatura alcanza una dimensión d de tamaño micro o nanométrico bien definido. En este punto, la rotura espontánea de la interfaz deformada a causa de las inestabilidades capilares produce partículas monodispersas con un tamaño de orden d. Este tipo de flujos se conoce como flujo capilar debido al importantísimo papel que juega la tensión superficial. Por ejemplo, la formación y control de chorros simples y coaxiales con diámetros en el rango micro/nanométrico, y su posterior rotura varicosa, da lugar a partículas sin estructura (chorros simples) o a gotas compuestas (chorros coaxiales) , con el líquido exterior encapsulando al interior. Por otra parte, si el líquido solidifica antes de que el chorro rompa, se obtienen fibras (chorro simple) , o nanofibras huecas/coaxiales (chorro coaxial) . El tamaño medio de partícula que se obtienen con este método va desde los cientos de micras hasta varios nanómetros, aunque el rango nanométrico generalmente se alcanza cuando se emplean fuerzas eléctricas. Las partículas que se obtienen por estos métodos son, en general, prácticamente monodispersas y su uso permite, en el caso de cápsulas, un diseño preciso tanto del tamaño de la cápsula como del espesor de la corteza. Todas estas características hacen estos métodos particularmente atractivos para muchas aplicaciones tecnológicas.

Flujos capilares capaces de estirar una o más interfaces hasta dimensiones micro o submicrónicos han sido objeto de considerables investigaciones, tanto experimentales como teóricas, en estos últimos años. Aunque el número de Reynolds de esos flujos capilares es de orden unidad o menor , la simulación numérica de algunos de ellos es compleja debido a (a) la disparidad de escalas de longitud, las cuales pueden variar en más de tres órdenes de magnitud, (b) la existencia de una superficie libre que debe ser determinada consistentemente con la solución del problema, y (3) el hecho de que la región donde la interfaz rompe es dependiente del tiempo a pesar del carácter estacionario del flujo aguas arriba de la zona de rotura.

1. Diferentes métodos para estirar superficies de fluidos En general, hay dos formas de estirar interfaces fluidas hasta dimensiones micro o submicrónicas (A. Barrero y I.G. Loscertales, Micro and nanoparticles via capillar y flows, Annual review. Fluid Mechanics 39, 89-106, 2007) . La primera fuerza el líquido a través de una apertura en una pared sólida cuya dimensión característica es d y que hace que la curvatura de la interfaz alcance dicho tamaño; por ejemplo, forzar un fluido a través de un tubo o a través de una membrana con poros de tamaño característico d. Sin embargo, por motivos prácticos, estas pequeñas aperturas tienden a taponarse cuando su tamaño es menor de unas pocas micras. La segunda forma campos de fuerzas apropiados en lugar de paredes para llevar la curvatura de la interfaz hasta la escala d, que es mucho menor que la dimensión de cualquier otro contorno. Esas fuerzas son, generalmente, la tensión superficial fuerzas fluido-dinámicas (presión, inercia y viscosidad) , aunque también pueden emplearse fuerzas eléctricas y magnéticas cuando el fluido reacciona ante estos campos.

(A) Flujos a través de aperturas de tamaño micrométrico.

Un ejemplo simple de estos flujos es la inyección de un fluido de densidad Py viscosidad Ja través de una aguja de diámetro micrométrico d sumergida en un fluido receptor inmiscible de densidad Po y viscosidad Jo. El fluido receptor, que también puede ser el vacío, puede estar quieto o en movimiento con respecto a la aguja. La interfaz entre los dos medios evoluciona al final de la aguja, gobernada por los siguientes parámetros adimensionales: las números de Weber y Capilar basados en Vla velocidad característica del fluido inyectado y de la tensión interfacial yentre los dos fluidos,

=PV /yand =JV/yrespectivamente, el número de Reynolds del fluido receptor basado en su velocidad características, Vo, =PoVo /J, los ratios de viscosidad y densidad entre el fluido inyectado y el receptor, J̅y P̅, y finalmente el ángulo entre la dirección de Voy del eje de la aguja. Para una pareja de fluidos y una configuración geométrica dada (valores de J̅, P̅y dados) , el flujo está gobernado por , y o, los cuales pueden variar en un amplio rango de valores, produciendo así una rica variedad de flujos clasificados generalmente en modos goteo o chorro, los cuales se muestran en las figures 1A y 1B.

o La formación de chorros y gotas (o burbujas) al final de tubos, y la transición de goteo a chorro, ha sido objeto de numerosas investigaciones (O.A. Basaran, Small-scale free surface flows with breakup: Drop formation and emerging applications, AIChE J.48, 1842—48, 2002; C. Clanet C & J.C. Lasheras. Transition from dripping to jetting. J. Fluid Mech. 383, 307—326, 1999) . Las gotas formadas en modo goteo son por lo generar más monodispersas que las formadas en modo chorro. En particular, Umbanhowar et al. (2000) reportan un método para producir emulsiones prácticamente monodipersas ( desviación estándar menor del 3%) que consiste en arrancar gotas de la punta de un capilar ( =0) in presencia de un corriente que cofluye (P.B. Umbanhowar, V. Prasad, D.A. Weitz, Monodisperse emulsion generation via drop break off in a coflowing stream. Langmuir 16, 347—351, 2000) . El fluido receptor arrastra el menisco anclado en la punta y lo arranca para generar una gota con un diámetro del orden de d. El método de coflujo también ha sido explotado para producir gotas altamente monodispersas de tamaño micrométrico de cristales líquidos nemáticos para formar estructuras bi y tridimensionales para aplicaciones electro-ópticas (D Rudhardt, A. Fernandez-Nieves, D. R. Link, D. A. Weitz, Phase-switching of ordered arrays of liquid cr y stal emulsions, Appl. Phys. Lett. 82, 2610, 2003; A. Fernandez-Nieves, D.R. Link, D. Rudhardt, D.A. Weitz, Electro-optics of bipolar nematic liquid cr y stal droplets. Phys. Rev. Lett. 92, 05503, 2004; A Fernandez-Nieves, D. R. Link, D. A. Weitz, Polarization dependent Bragg diffraction and electro-optic switching of three-dimensional assemblies Of nematic liquid cr y stal droplets, Appl. Phys. Lett. 88, 121911, 2006) .

El hecho de que la rotura y separación... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo electro-fluídico para producir emulsiones y suspensiones de partículas que comprende: un micro-canal (3, 103) que comprende un fluido dieléctrico (2, 102) fluyendo a través de dicho micro-canal (3, 103) , una primera punta 5 capilar (1, 1’, 101, 101’) sumergida en dicho líquido dieléctrico (2, 102) que fluye a través de dicho micro-canal (3, 103) ;

un primer fluido conductor (8, 8’, 108, 108’) que fluye a través de la primera punta capilar (1, 1’, 101, 101’) en la misma dirección que el fluido dieléctrico (2, 102) y que es inmiscible i pobremente miscible con dicho fluido dieléctrico (2, 102) ; y

un segundo fluido conductor (5, 105, 105’) que fluye a través de una segunda punta capilar (4, 104, 104’) sumergida en el fluido dieléctrico (2, 102) ;

donde dichos primer (8, 8’, 108, 108’) y segundo (5, 105, 105’) fluidos conductores son dirigidos uno en contra del otro en contra-corriente, formando de este modo una interfaz estacionaria (6, 6’, 106, 106’, 116, 116’) ;

donde el dispositivo también comprende medios para aplicar una diferencia de potencial eléctrico (9, 109) a dichos fluidos conductores, formando de este modo un chorro capilar estacionario que produce una caravana de gotas cargadas (11, 111) que fluye hacia la interfaz estacionaria (6, 6’, 106, 106’, 116, 116’) y forma una emulsión; y

donde dicho dispositivo además comprende un hueco (7, 107) configurado para descargar la emulsión que se ha formado.

2. Dispositivo de acuerdo a la reivindicación 1 donde el primer fluido conductor (8, 8’, 108, 108’) forma un menisco 25 (10, 10’) a la salida de la primera punta capilar (1, 1’, 101, 101’) .

3. Dispositivo de acuerdo a la reivindicación 2 donde el dispositivo comprende un número N de puntas de alimentación (1, 1’) con ( ≥2) ; donde la primera punta capilar (1) inyecta un primer fluido conductor (8) a un caudal mientras que un primer líquido conductir genérico L-i (8’) fluye a un caudal genérico a través de la punta T-i-ésima (1’) (2<i<N) ; y

donde las N puntas de alimentación (1, 1’) están dispuestas tal que el L- (i-1) -ésimo fluido conductor rodea a la punta T-iésima y las puntas (1, 1’) están inmersas en un fluido dieléctrico (2) que cofluye con dicho primer fluido conductor (8) a un caudal .

4. Dispositivo de acuerdo con la reivindicación 3 donde los diámetros de las puntas de alimentación 35 (1, 1’, 4, 101, 101’, 104, 104’) y las N puntas capilares de alimentación están comprendidas entre 0.001 mm y 5 mm.

5. Dispositivo de acuerdo con las reivindicaciones 3 y 4 donde el caudal del líquido L-i-ésimo (8, 8’, 108, 108’, 108’’, 108’’’) está comprendido entre 10 / y 10 / ; y donde el caudal del líquido dieléctrico (2, 102) y el caudal del segundo líquido conductor (5, 105, 105’) tienen respectivamente valores comprendidos entre 0

y 10 / .

6. Dispositivo de acuerdo a reivindicaciones 3-5 donde la conductividad eléctrica de los fluidos conductores (5, 8, 8’, 105, 105’, 108, 108’, 108’’, 108’’’) está comprendida dentro del rango entre 10 / y 10 / .

7. Dispositivo de acuerdo a cualquiera las reivindicaciones anteriores 3-6 donde, la separación entre las interfases (6, 6’, 106, 106’, 116, 116’) está entre 0.001 mm y 10 cm, y el valor absoluto de la diferencia de potencial eléctrico (9, 109) está comprendida entre 1 V y 100 kV.

8. Sistema electro-fluídico para producir emulsiones y suspensiones de partículas que comprende un dispositivo de 50 acuerdo a cualquiera de la s reivindicaciones 1-7.

9. Método electro-fluídico para producir emulsiones y suspensiones de partículas caracterizado por comprender los pasos de (i) inmersión de una primera punta capilar (1, 1’, 101, 101’) en un fluido dieléctrico (2, 102) que fluye a lo largo de 55 un micro-canal (3, 103) , siendo dicho fluido dieléctrico inmiscible o pobremente miscible con un primer líquido conductor (8, 8’, 108, 108’) que fluye en la misma dirección del fluido dieléctrico (2, 102) y un segundo fluido conductor (5, 105, 105’) , y donde dicho segundo fluid conductor fluye a través de una segunda punta capilar (4, 104, 104’) sumergida en el fluido dieléctrico (2, 102) ,

(ii) bombeando dichos fluidos conductores en contra-corriente formando de ese modo una interfaz estacionaria 60 (6, 6’, 106, 106’, 116, 116’) , y

(iii) aplicando una diferencia de potencial eléctrico apropiada (9, 109) a dichos fluidos conductores, produciendo una caravana de goas cargadas (11, 111) que se mueve hacia la interfaz estacionaria (6, 6’ , 116, 116’) formando así una emulsión que abandona el dispositivo a través de un hueco (7, 107) .

10. Método de acuerdo a la reivindicación 9, donde la primera punta capilar (101, 101’) está inmersa en el fluido dieléctrico (102) y colocada cerca de la interfaz estacionaria (106, 106’) , succiona un caudal del fluido dieléctrico (102) ; y donde la segunda punta capilar de alimentación (104, 104’) se coloca dentro de la punta capilar (101, 101’) e inmersa en el líquido dieléctrico (102) , tal que un segundo líquido conductor (105, 105’) fluye a través de la segunda 5 punta capilar (104, 104’) en contra del fluido dieléctrico (102) a un caudal QC, tal una interfaz estacionaria (116, 116’) que separa el fluido dieléctrico (102) y el segundo líquido conductor (105, 105’) se forma dentro del primer capilar (101, 101’) ; donde el primer fluido conductor (108, 108’, 108’’, 108’’’) forma un chorro capilar estacionario cuando los fluido conductores se conectan a un electrodo de referencia (109) ; y donde la rotura espontánea del chorro capilar produce gotas (111) del primer líquido conductor (108, 108’, 108’’, 108’’’) que se mueven hacia la interfaz líquida (116, 116’) bajo la acción combinada de las fuerzas eléctricas y el arrastre ejercido por el líquido dieléctrico en movimiento (102) .

11. Método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 9-10 donde las gotas (11, 111) son pos-procesadas para transformarse en sólido.

Figura 1

Figura 2

Figura 3

Figura 4

Figura 5

Figura 6

Figura 7

Figura 8

Figura 9

Figura 10