Generation of droplets in non-Newtonian liquids with a microfluidic T-junction

Droplet-based microfluidics is a blossoming research field that presents great potential for many applications, including high-throughput chemical and biological analysis, synthesis of advanced materials, sample pretreatment, protein crystallization, and encapsulation of cells. In most biomedical applications, non-Newtonian fluids are frequently involved. The complete understanding of the role of their rheology on droplets breakup is still far from being achieved, which is crucial for the realization of robust devices which have to be operated with those fluids. The present work reports a comprehensive and systematic study of the droplet breakup in a microfluidic T-junction, involving Newtonian droplets formed in either Newtonian, purely shear-thinning or purely elastic (Boger) fluids. As shear-thinning fluids, dilute and semidilute solutions of Xanthan, a stiff rod-like polysaccharide, are investigated. At the concentrations considered, they exhibit a well pronounced shear-thinning behaviour with finite thinning exponents, while weak elastic effects emerge only at relatively high concentrations. The role of elasticity is instead investigated using solutions of polyacrylamide (PAA). In order to isolate the elasticity from the shear-thinning behaviour, a Boger fluid is employed, which is characterized by a constant viscosity due to a particular choice of the solvent. From preliminary experiments with PAA results that, while the shape of droplets formed in the Boger fluid is considerably altered with respect to the one in the corresponding Newtonian, there is no strong evidence for the elasticity to affect the droplets size resulting after breakup. Instead, by quantitatively comparing Newtonian and shear-thinning data, robust experimental evidence is provided that the droplet size rescales nicely with an effective Capillary number, which reduces to the usual Capillary number when both liquids are Newtonian. Systematic experiments with Xanthan are complemented with numerical simulations of purely thinning fluids based on the lattice Boltzmann models (LBM), which are in good quantitative agreement with the experimental data and confirm the proposed scaling.

La microfluidica delle gocce è un recente settore di ricerca che mostra un grande potenziale per numerose applicazioni, tra cui analisi chimica e biologica, sintesi di materiali avanzati, cristallizzazione di proteine ed incapsulamento di cellule. Nella maggior parte delle applicazioni in campo biomedico, i fluidi di interesse sono non-Newtoniani. Il ruolo della reologia di questi ultimi nella formazione di gocce non è ancora compreso in modo soddisfacente, cosa fondamentale per la realizzazione di dispositivi microfluidici che devano manipolare tali fluidi. In questo lavoro è stato condotto uno studio sistematico sulla formazione di gocce in una giunzione a T microfluidica, mirato alla produzione di gocce Newtoniane sia in liquidi shear-thinning che in liquidi viscoelastici. Come liquidi shear-thinning sono state utilizzate soluzioni diluite e semi-diluite di Xanthan, un polisaccaride che ha una struttura rigida. Alle concentrazioni considerate, questo presenta un notevole comportamento shear-thinning, mentre gli effetti elastici diventato importanti solamente a concentrazioni più elevate. Il ruolo della elasticità è stato invece investigato utilizzando soluzioni di poliacrilammide (PAA), un polimero a catena lunga e flessibile. Al fine di isolare il comportamento elastico da quello shear-thinning, è stato preparato un fluido di Boger, ossia un fluido viscoelastico caratterizzato da viscosità costante, grazie ad una particolare scelta del solvente. I risultati preliminari degli esperimenti con il PAA mostrano che, nonostante la forma delle gocce formate nel fluido di Boger sia alterata rispetto a quella delle gocce formate nel corrispettivo liquido Newtoniano (con la stessa viscosità), non si osservano differenze nella taglia delle gocce, che non risulta quindi essere influenzata dall’elasticità. Al contrario, confrontando quantitativamente i dati Newtoniani con quelli shear-thinning, risulta che la taglia delle gocce riscala con un numero capillare efficace, che si riconduce all'usuale numero capillare quando entrambi i liquidi sono Newtoniani. A complemento degli esperimenti sistematici con Xanthan, simulazioni basate su Lattice-Boltzmann mostrano un buon accordo con i dati sperimentali e confermano lo scaling proposto.