Es wurde eine neuartige Messtechnik entwickelt, um den Flüssigkeitsfluss und die Verteilung innerhalb zweier Tröpfchen zu visualisieren, die mithilfe fluoreszenzemittierender Partikel im Raum schweben und verschmelzen. Diese Technik ermöglichte die Abschätzung der Flüssigkeitsbewegung innerhalb jedes Tröpfchens und enthüllte so die interne Strömung, die durch Oberflächenvibrationen verursacht wird, wenn die Tröpfchenverschmelzung die Flüssigkeitsmischung fördert. Details wurden veröffentlicht In Wissenschaftliche Berichte.
Im Allgemeinen erfordert der Umgang mit Flüssigkeiten Behälter. Allerdings kann die Ultraschalltechnologie ein „Lab-on-a-Drop“ schaffen, eine ultrakompakte Testumgebung, in der mehrere Flüssigkeitströpfchen mit einem Durchmesser von mehreren Millimetern ohne Einfluss eines Behälters im Raum schweben und sich vermischen können.
Forscher der Universität Tsukuba haben eine Technik zum Verschmelzen zweier Tröpfchen entwickelt, die aufgrund ihrer geringen Größe in diesem Lab-on-a-Drop-Aufbau schwierig zu vermischen sind, sowie eine Methode zur Messung ihrer Vermischung mithilfe einer selektiven Farbbildgebungsmethode.
Bei der Mischtechnik kommt ein Ultraschall-Phased-Array zum Einsatz, der einen Brennpunkt erzeugt, in dem Tröpfchen zufällig schweben können, indem Ultraschallwellen von einem 7×7-Gitter aus Ultraschallwandlern mit Phasenverschiebung abgestrahlt werden. Mit dieser Technik ist es gelungen, zwei identische Tröpfchen gleichzeitig schweben zu lassen, sodass sie kollidieren und verschmelzen.
Um den Mischungsgrad zu messen, ist es wichtig, den Flüssigkeitsfluss in jedem Tropfen zu bestimmen. Dabei nutzten die Forscher rot und grün fluoreszierende Partikel; Ein Tropfen enthielt Partikel, die bei Bestrahlung mit ultraviolettem Licht rot fluoreszierten, während der andere Partikel enthielt, die grün fluoreszierten.
Während die Tröpfchen zusammenflossen, wurde die Bewegung jedes fluoreszierenden Partikels mit einer Hochgeschwindigkeitskamera detailliert fotografiert und so deren Mischungszustand erfasst.
Basierend auf der zum Mischen erforderlichen Zeitskala ergab eine vergleichende Analyse des Unterschieds zwischen der Flüssigkeitsvermischung aufgrund von Grenzflächenvibrationen während der Koaleszenz und aufgrund von molekularer Diffusion, dass die durch Grenzflächenvibrationen verursachte Vermischung vorherrschend war. Daher sind die Ergebnisse dieser Forschung vielversprechend für die Verbesserung der Anwendung und die weitere Weiterentwicklung von Lab-on-a-Drop-Geräten.
Mehr Informationen:
Kota Honda et al, Koaleszenz und Mischungsdynamik von Tröpfchen in der akustischen Levitation durch selektive Farbbildgebung und -messung, Wissenschaftliche Berichte (2023). DOI: 10.1038/s41598-023-46008-z