Microfluidics Module

Per le simulazioni multifisiche di dispositivi microfluidici

Microfluidics Module

Una goccia di inchiostro viene espulsa da un ugello e viaggia nell'aria fino a colpire il bersaglio. Il modello può essere utilizzato per comprendere l'effetto delle proprietà dell'inchiostro e del profilo di pressione all'ugello sulla velocità della goccia, sul volume della goccia e sulla presenza di gocce satellitari.

Simulazioni di microfluidica generiche

Il Microfluidics Module offre strumenti intuitivi per lo studio di dispositivi microfluidici. Le principali applicazioni comprendono simulazioni di dispositivi Lab-on-a-chip (LOC), microfluidica digitale, apparati elettrocinetici e magnetocinetici e stampanti a getto d'inchiostro. Il Microfluidics Module include interfacce utente e strumenti di simulazione pronti all'uso, le cosiddette interfacce fisiche, per flusso monofase, flusso in mezzi porosi, flusso bifase e fenomeni di trasporto.

Riduzione al flusso microscalare

Il flusso microfluidico avviene su scale di lunghezza infinitamente più piccole rispetto ai flussi macroscopici. La manipolazione dei fluidi a livello microscalare porta con sé molti vantaggi: in genere i sistemi microfluidici sono più piccoli, funzionano più velocemente e richiedono meno fluido dei loro equivalenti macroscopici.

In questi sistemi è anche più facile controllare i dati di energia fornita e assorbita (ad esempio, il calore generato in una reazione chimica), perché il rapporto superficie-area del sistema è molto maggiore rispetto a un sistema macroscopico. In generale, man mano che si riduce la scala di lunghezza del flusso, le proprietà che si riducono con l'area superficiale del sistema assumono comparativamente un'importanza maggiore di quelle che scalano con il volume del flusso.

Ciò è evidente nel flusso stesso dove le forze di viscosità, che sono generate dal taglio sulle superfici di isovelocità, prevalgono sulle forze inerziali. Il numero di Reynolds (Re) che caratterizza il rapporto tra queste due forze è in genere basso, quindi il flusso è solitamente laminare. In molti casi si realizza il cosiddetto Creeping Flow (flusso alla Stokes, che si ottiene per Re«1). I flussi laminari e i creeping flow rendono particolarmente difficile la miscelazione, quindi il trasporto di massa è spesso limitato dalla diffusione. Di conseguenza vengono adottate svariate tecniche per migliorare la miscelazione nei dispositivi microfluidici. Il Microfluidics Module è progettato specificamente per la gestione della quantità di moto, del calore e del trasporto di massa, con una particolare attenzione per il flusso a livello microscalare. Ciò ha implicazioni per il trasporto chimico all'interno di sistemi microfluidici.

Altre immagini:

  • PACCO LAMELLARE: l'immagine mostra il flusso in un dispositivo destinato a regolare la miscelazione di due fluidi in un flusso lamellare. I contorni di pressione sono mostrati sulle pareti del miscelatore e il modulo di velocità è indicato sugli ingressi e sulle uscite e nel punto in cui convergono le due serie di canali (che trasportano i fluidi diversi). Sono anche tracciate in rosso le linee di flusso. L'inserto illustra la concentrazione di una specie diffondente presente in uno solo dei fluidi, tracciata lungo linee verticali poste progressivamente più in basso rispetto al centro del miscelatore. PACCO LAMELLARE: l'immagine mostra il flusso in un dispositivo destinato a regolare la miscelazione di due fluidi in un flusso lamellare. I contorni di pressione sono mostrati sulle pareti del miscelatore e il modulo di velocità è indicato sugli ingressi e sulle uscite e nel punto in cui convergono le due serie di canali (che trasportano i fluidi diversi). Sono anche tracciate in rosso le linee di flusso. L'inserto illustra la concentrazione di una specie diffondente presente in uno solo dei fluidi, tracciata lungo linee verticali poste progressivamente più in basso rispetto al centro del miscelatore.
  • LENTE "LIQUIDA": l'illustrazione in alto mostra una lente liquida con messa a fuoco regolabile, il cui raggio di curvatura può essere appiattito per effetto di electrowetting. I colori mostrano il modulo di velocità del fluido nella parte inferiore della lente colma di olio, mentre il diagramma con vettori mostra la velocità nel liquido sopra la lente di olio. LENTE "LIQUIDA": l'illustrazione in alto mostra una lente liquida con messa a fuoco regolabile, il cui raggio di curvatura può essere appiattito per effetto di electrowetting. I colori mostrano il modulo di velocità del fluido nella parte inferiore della lente colma di olio, mentre il diagramma con vettori mostra la velocità nel liquido sopra la lente di olio.
  • COMSOL DESKTOP: COMSOL Desktop® può gestire un progetto di modellazione completo. La visualizzazione mostra lo studio di flusso monofase dipendente dal tempo di un microcanale utilizzato per l'infusione e l'irrorazione di un altro componente dell'apparecchiatura. COMSOL DESKTOP: COMSOL Desktop® può gestire un progetto di modellazione completo. La visualizzazione mostra lo studio di flusso monofase dipendente dal tempo di un microcanale utilizzato per l'infusione e l'irrorazione di un altro componente dell'apparecchiatura.
  • BENCHMARK DI MISCELATORE "SPLIT AND RECOMBINE": questo esempio modella un canale di miscelatore SAR nel quale un fluido tracciante viene introdotto e mescolato per multi-laminazione. La diffusione è stata rimossa dal modello utilizzando un coefficiente di diffusione estremamente basso, in modo che qualsiasi diffusione numerica potesse essere studiata nelle interfacce di laminazione. I risultati sono in linea con la pubblicazione di riferimento in termini sia di schemi di laminazione sia di caduta di pressione totale nel miscelatore. BENCHMARK DI MISCELATORE "SPLIT AND RECOMBINE": questo esempio modella un canale di miscelatore SAR nel quale un fluido tracciante viene introdotto e mescolato per multi-laminazione. La diffusione è stata rimossa dal modello utilizzando un coefficiente di diffusione estremamente basso, in modo che qualsiasi diffusione numerica potesse essere studiata nelle interfacce di laminazione. I risultati sono in linea con la pubblicazione di riferimento in termini sia di schemi di laminazione sia di caduta di pressione totale nel miscelatore.
  • FLUSSO BIFASE: quando sono presenti più fasi, gli effetti della tensione superficiale su piccola scala diventano importanti rispetto a gravità e inerzia. La pressione di Laplace (salto di pressione attraverso un contorno bifase), la forza capillare e le forze di Marangoni scalano tutte come 1/lunghezza. La figura in basso mostra la scissione delle gocce d'olio per produrre un'emulsione mentre l'olio scorre in un canale che trasporta un secondo fluido. Sono visualizzate le linee di corrente mentre la velocità del fluido è tracciata sul piano di simmetria. Il confine tra le due fasi è mostrata in verde. FLUSSO BIFASE: quando sono presenti più fasi, gli effetti della tensione superficiale su piccola scala diventano importanti rispetto a gravità e inerzia. La pressione di Laplace (salto di pressione attraverso un contorno bifase), la forza capillare e le forze di Marangoni scalano tutte come 1/lunghezza. La figura in basso mostra la scissione delle gocce d'olio per produrre un'emulsione mentre l'olio scorre in un canale che trasporta un secondo fluido. Sono visualizzate le linee di corrente mentre la velocità del fluido è tracciata sul piano di simmetria. Il confine tra le due fasi è mostrata in verde.
  • MISCELATORE ELETTRO-OSMOTICO: questo particolare micromiscelatore sfrutta l'elettro-osmosi per mescolare i fluidi. Viene applicato un campo elettrico dipendente dal tempo e l'elettro-osmosi risultante perturba il flusso. La visualizzazione delle linee di flusso illustra i forti effetti di piegamento e stiramento del campo del flusso. MISCELATORE ELETTRO-OSMOTICO: questo particolare micromiscelatore sfrutta l'elettro-osmosi per mescolare i fluidi. Viene applicato un campo elettrico dipendente dal tempo e l'elettro-osmosi risultante perturba il flusso. La visualizzazione delle linee di flusso illustra i forti effetti di piegamento e stiramento del campo del flusso.

Le funzionalità multifisiche generali di COMSOL sono particolarmente adatte per la gestione di molti effetti su microscala utilizzati in dispositivi microfluidici. È facile impostare simulazioni accoppiate di elettrocinetica e magnetodinamica – come elettroforesi, magnetoforesi, dielettroforesi, elettro-osmosi ed electrowetting. Inoltre, le funzionalità di diffusione chimica e reazioni delle specie diluite del modulo permettono di simulare i processi che interessano i dispositivi Lab-on-a-chip. Sono disponibili condizioni al contorno specifiche per simulare i flussi di gas rarefatti, che permettono la trattazione dei fluidi nel regime di slip flow. Il Microfluidics Module offre anche interfacce dedicate per la simulazione del flusso bifase con i metodi specifici (level-set, phase-field e mesh mobile). Ciascuna di queste interfacce comprende le funzionalità del Microfluidics Module per modellare le forze di tensione superficiale, le forze capillari e gli effetti Marangoni.

Workflow per la modellazione di dispositivi microfluidici

Per modellare un dispositivo microfluidico, è necessario prima di tutto definire la geometria utilizzando gli strumenti di modellazione nativa di COMSOL o importando un modello CAD. Sono disponibili vari prodotti per importare modelli di geometria: il CAD Import Module per l'importazione di modelli CAD meccanici, l'ECAD Import Module per l'importazione di layout elettronici e i prodotti LiveLink per CAD con un collegamento diretto ai modelli creati in un apposito software CAD. Quindi si selezionano le proprietà del fluido e si sceglie un'interfaccia fisica adatta. Si impostano le condizioni iniziali e al contorno nell'interfaccia, poi viene definita la mesh. In molti casi, si potrà accettare la mesh predefinita creata automaticamente da COMSOL, che viene generata sulla base di valori predefiniti dipendenti dall'ambito fisico. Si sceglie un solutore, sempre con opportuni valori predefiniti per la fisica in studio, e si risolve il problema. Infine, è possibile visualizzare i risultati. Tutti questi passaggi possono essere effettuati in COMSOL Desktop®. Il Microfluidics Module può risolvere problemi di flusso stazionario e dipendente dal tempo in 2D e 3D e può essere accoppiato con qualsiasi altro prodotto aggiuntivo per ampliare ulteriormente le funzionalità di modellazione. Per esempio, il tracciamento delle particelle rilasciate in un flusso è reso possibile dalla combinazione con il Particle Tracing Module.

Flusso monofase

Le interfacce del Fluid Flow utilizzano quantità fisiche come pressione e portata e proprietà fisiche come viscosità e densità, per definire un problema di fluidodinamica. L'interfaccia fisica per il flusso laminare riguarda i flussi incomprimibili e debolmente comprimibili e consente anche la simulazione del flusso di fluidi non newtoniani. L'interfaccia fisica Creeping Flow è utilizzata quando il numero di Reynolds è significativamente minore di 1. In questo regime di flusso, anche denominato flusso di Stokes, prevalgono le forze di viscosità e questo regime si realizza solitamente nei dispositivi microfluidici.

Flusso bifase

Sono disponibili tre diversi metodi per il flusso bifase: level-set, phase-field e mesh mobile. Questi sono utilizzati per modellare i due fluidi separati da un'interfaccia fluida e dove l'interfaccia mobile viene tracciata accuratamente, comprese le forze di tensione superficiale e la curvatura di superficie. I metodi level-set e phase-field utilizzano una mesh fissa e risolvono equazioni aggiuntive per tener traccia della posizione dell'interfaccia. Il metodo della mesh mobile risolve le equazioni del flusso su una mesh in movimento, dove le condizioni al contorno rappresentano l'interfaccia fluida. In questo caso, vengono risolte altre equazioni per la deformazione della mesh mediante il metodo lagrangiano-euleriano arbitrario (ALE). Tutti questi metodi e le loro interfacce fisiche supportano flussi laminari comprimibili e incomprimibili, dove uno o entrambi i fluidi possono essere non newtoniani.

Flusso rarefatto

Il flusso di un gas rarefatto si manifesta quando il cammino libero medio molecolare diventa paragonabile alla scala di lunghezza del flusso. Il numero di Knudsen (Kn) caratterizza l'importanza degli effetti di rarefazione sul flusso. Via via che il gas diventa rarefatto (Knudsen crescente), parte dello strato di Knudsen entro una distanza di un cammino libero medio della parete ha un ruolo nella distribuzione del flusso (non è applicabile la condizione naturale alla fluidodinamica non rarefatta, nessuno scorrimento a parete). Per numeri di Knudsen inferiori a 0,01, la rarefazione può essere trascurata e si possono utilizzare le interfacce fisiche per il flusso laminare del Microfluidics Module con condizioni al contorno senza scorrimento (non-slip). Per i gas rarefatti nel regime 0,01 < Kn < 0,1, lo strato di Knudsen può essere modellato da adeguate condizioni al contorno in corrispondenza delle pareti, insieme alle equazioni del continuo di Navier-Stokes nel dominio. In questo caso, nel Microfluidics Module è disponibile un'interfaccia fisica specifica: Slip Flow. Per modellare numeri di Knudsen più alti, è necessario il Molecular Flow Module.

Flusso in mezzi porosi

LENTE "LIQUIDA": l'illustrazione in alto mostra una lente liquida con messa a fuoco regolabile, il cui raggio di curvatura può essere appiattito per effetto di electrowetting. I colori mostrano il modulo di velocità del fluido nella parte inferiore della lente colma di olio, mentre il diagramma con vettori mostra la velocità nel liquido sopra la lente di olio.

È a disposizione una speciale interfaccia fisica per i modelli di flussi parzialmente liberi e parzialmente in mezzi porosi, o per il solo flusso in mezzi porosi, tramite le equazioni di Brinkman. Risolve tanto il flusso laminare esterno al mezzo poroso quanto il flusso nella matrice porosa considerando appieno l'accoppiamento tra i due. Queste interfacce sono adatte per il flusso microfluidico in mezzi porosi. Un esempio di applicazione riguarda la microfluidica della carta e il trasporto in tessuti biologici.

Effetti di elettroidrodinamica

A livello di microscale, si possono sfruttare vari effetti elettroidrodinamici che influenzano il flusso. Il Microfluidics Module è un ottimo strumento per la modellazione di quasi tutti gli effetti di questo tipo. La forza del campo elettrico dovuta all'applicazione di una data tensione scala favorevolmente alle piccole scale ed è possibile applicare al fluido un campo relativamente elevato con tensioni moderate. Nell'elettro-osmosi, gli ioni non compensati nel doppio strato elettrico carico (Electric Double Layer, EDL) presente sulle superfici del fluido sono spostati da un campo elettrico, provocando un flusso. Il Microfluidics Module offre una condizione al contorno specifica di velocità elettro-osmotica tra le diverse condizioni al contorno per le pareti. Le forze elettroforetiche e dielettroforetiche su particelle cariche o polarizzate nel fluido sono utilizzabili per indurre il moto delle particelle, come lo sono le forze diamagnetiche nel caso della magnetoforesi. Il Particle Tracing Module fornisce la forza agente su particelle elettroforetiche e dielettroforetiche in modo automatico. Combinando il Microfluidics Module con l'AC/DC Module è possibile modellare la dielettroforesi AC.

Anche la modifica degli angoli di contatto da parte dei fenomeni di electrowetting è facile nei microdispositivi. L'electrowetting è un fenomeno ampiamente utilizzato, alla base di varie nuove tecnologie di visualizzazione. Il Microfluidics Module consente la manipolazione diretta dell'angolo di contatto con espressioni definite dall'utente, compresi i parametri di tensione.

Trasporto di massa

Il Microfluidics Module offre un'interfaccia fisica dedicata per il trasporto di specie diluite, utilizzata per simulare il trasporto di specie chimiche per diffusione, convezione (se accoppiata alla fluidodinamica) e migrazione in campi elettrici per miscele con un componente – solvente – presente in maniera predominante (oltre 90% mol). Questo genere di simulazione è molto usato per la modellazione delle prestazioni dei miscelatori. Per modellare le reazioni chimiche in dispositivi microfluidici, è possibile combinare il Microfluidics Module con il Chemical Reaction Engineering Module, che mette anche a disposizione il trasporto di specie concentrate con diffusione binaria.

Piattaforma di simulazione microfluidica flessibile e robusta

In ognuna delle interfacce del Microfluidics Module, i principi fisici di base sono espressi sotto forma di equazioni differenziali alle derivate parziali, insieme alle corrispondenti condizioni iniziali e al contorno. La progettazione in COMSOL pone l'accento sui fenomeni fisici e fornisce le soluzioni per le diverse applicazioni, oltre a consentire l'accesso completo al sistema di equazioni sottostante per aggiungervi equazioni ed espressioni definite dall'utente con la massima flessibilità. Ad esempio, per modellare il trasporto di una specie che influenza in maniera apprezzabile la viscosità del fluido, basta inserire la viscosità dipendente dalla concentrazione, senza dover programmare esternamente alcuno script o codice. Quando COMSOL compila le equazioni, gli accoppiamenti complessi generati da queste espressioni definite dall'utente vengono inclusi automaticamente nel sistema di equazioni. Le equazioni vengono quindi risolte applicando il metodo agli elementi finiti e consolidati metodi di soluzione. Ottenuta una soluzione, sono disponibili diversi strumenti di post-processing con i quali analizzare i dati; grafici predefiniti vengono generati automaticamente per visualizzare la soluzione. COMSOL offre la flessibilità necessaria per valutare una vasta gamma di grandezze fisiche, tra cui grandezze predefinite come la pressione, la velocità, la velocità di deformazione o la vorticità (disponibili tramite menu intuitivi), così come espressioni arbitrarie definite dall'utente.

Interfacciamento con Excel® e MATLAB®

È possibile combinare il Microfluidics Module con Microsoft® Excel® tramite il LiveLink for Excel®. Questo prodotto LiveLink aggiunge nel ribbon di Excel una tab dedicata a COMSOL contenente strumenti per controllare i parametri, le variabili e la mesh o per eseguire una simulazione. Include anche la funzionalità di importazione ed esportazione di liste di parametri e variabili da file Excel in COMSOL Desktop®.

Per comandare le simulazioni COMSOL mediante script, è possibile utilizzare congiuntamente MATLAB® e COMSOL attraverso l'interfaccia fornita dal LiveLink for MATLAB®. Con questo LiveLink è possibile accedere a tutte le funzionalità di COMSOL Desktop® attraverso l'esaustivo set di comandi MATLAB. Si tratta di un'alternativa a livello di programmazione all'utilizzo di COMSOL Desktop® per le simulazioni microfluidiche.

Modeling Inertial Focusing in Straight and Curved Microfluidic Channels

Modeling of Laminar Flow Static Mixers

Multiphysics Simulations Enable Development of Fast, Cheap MEMS-Based Bacteria Detector

Droplet Breakup in a T-junction

Electroosmotic Micromixer

Inkjet Nozzle: Level Set

Electrowetting Lens

A Drug Delivery System

Controlled Diffusion Micromixer

Lamella Mixer

Electrokinetic Valve