Metodo y dispositivos para la produccion de micro- y buras monodispersas OBJETO DE LA INVENCION 5 Esta invenciOn se encuadra en el sector de la tecnologia industrial, para la mezcla eficiente de una fase gaseosa en una fase liquida, donde la fase gaseosa constituye la Ramada fase dispersa y el liquido la fase continua En particular, se trata de maximizar la superficie de contacto entire las dos fases mencionadas por unidad de volumen de fase dispersa, lo cual implica reducir lo mas posible 10 el tamaiio de las burbujas. Tambien se encuadra esta invenciOn en el sector de la medicina clinica, biomedicina y diagnosis, en aplicaciones como la oxigenaciOn sanguinea, el contraste ultrasonic° para diagnosis por la imagen, o la perfusion celular controlada mediante excitaciOn ultrasemica. Excepto en el caso de los 15 contrastes ultrasOnicos, que ya estan bastante desarrollados, estas tecnicas son conocidas desde hace tiempo, pero no han sido aplicadas masivamente porque no se ha desarrollado aün una metodologia robusta, controlable y escalable que permita generar masivamente microburbujas lo suficientemente pequerias y de tamano homogeneo. 20 Otto sector en el que tambien se encuadra esta invenciOn es el medioambiental, pan la alimentaciOn de cultivos de microalgas con CO2, la oxigenaciOn de piscifactorias, la depuraciOn de aguas residuales, y la disoluciOn y secuestro masivo de CO2. Un primer objeto de esta invenciOn es un procedimiento y dispositivo para la 25 generaciOn de burbujas cuyo diametro es entire 1 nanOmetro y 1 cent:linen°, caracterizado por que 1- el gas que constituye las burbujas es descargado a traves de un primer canal cerrado o tubo capilar con una anchura entire 0.1 micra y 1 centimetro; 2- el liquid° en el cual se van a format las burbujas se alimenta desde otro segundo canal cerrado con una anchura entre 0.1 micra y 1 centimetro, independiente del primero, de forma que la corriente de liquido descargado por dicho segundo canal intercepta la corriente de gas descargada por el primer canal;
3- las corrientes de liquido y de gas son recogidas en un tercer canal o who capilar de descarga, con una anchura entre 0.1 micra y 1 centimetro, siendo hidrofila la superficie intema de dicho canal; 4- el tercer canal o who capilar de descarga tiene tratada hidrofobamente 5 una zona de su superficie interna que empieza en el borde de la boca de salida del canal de descarga de gas y en la direcciOn de la descarga, de forma que el gas descargado desde el primer canal se adhiere a dicha zona hidrofoba sin perdida de continuidad con la corriente de gas que proviene de dicho primer canal; 5- el gas adherido a la zona hidredoba es arrastrado por el liquido hasta que se produce la rotura de dicha corriente de gas en forma de burbujas, ya dentro del tercer canal de descarga, y las burbujas son transportadas pot el liquid° y descargadas con el. 15 Tambien es objeto de la presente invenciOn un procedimiento y dispositivo para la generacion de burbujas cuyo diametro es entire 1 nal-le:metro y 1 centimetro segun lo expuesto arriba, caracterizado pot que la zona del tercer canal de descarga tratada hidr6fobamente es una prominencia sada en la direccion del flujo de gas y de =lath) caractenstico menor que la longitud 20 caracteristica mas pequeria de dicha seccion de descarga, como puede apreciarse en las Figuras 1 y 2. Ademas, tambien es objeto de esta invenciOn el dispositivo descrito en este parrafo de manera que la prominencia sada forme parte del borde del canal de descarga de gas (Figura 2b), o bien que la prominencia sada este constituida pot el extremo de un element° cilindrico o 25 prismatic° que sobresalga del interior del canal de descarga de gas (Figuras 2a y 2c). Otto objeto de esta invenciOn es un procedimiento y dispositivo para la generacion de burbujas cuyo diametro es entire 1 nanOmetro y 1 centimetro, 30 segnn se describin en el primer objeto, caracterizado pot que la zona hidredoba de la superficie intema del tercer canal es alargada en la direccion de la corriente de liquido, y su anchura caracteristica es menor que el diametro o anchura de dicho tercer canal, como se puede apreciar en la Figura 2c. Mas concretamente, un objeto particular de esta invenciOn es que la zona 35 hidr6foba de la superficie interna del tercer canal sea una banda rectangular definida en dicha superficie interna, en la direcciOn de la corriente de liquid°, con un ancho w menor que el diametro o anchura L de dicho tercer canal (Figura 3), y una longitud de al menos el doble del ancho (Figura 2c). Asi, el
gas descargado desde el primer canal forma una corriente sin discontinuidades arrastrada pot la corriente de liquid°, formando pot tension superficial una bOveda aproximadamente cilindrica adherida a la superficie hidrOfoba rectangular a traves de la cual circula el gas, de modo que el angulo de 5 contacto que forma el liquid° que rodea dicha corriente en el lado mas largo de la zona hidrofoba rectangular puede ser mayor o menor de n/2 radianes. Si es menor de 7c/2 radianes, la corriente de gas puede formar un cordon continuo a lo largo de la superficie hidrOfoba, rompiendose en burbujas solo cuando dicho cordon de gas llega al extremo de dicha superficie hidrOfoba en la direcciOn del flujo en el canal de descarga (vet Figura 2c). ESTADO DE LA TECNICA Las burbujas juegan un papel fundamental en procesos que aparecen en multitud de campos cientificos y tecnolOgicos, tales como la producciOn de 15 petrOleo, la industria quimica y metahlrgica, la ciencia de los materiales, la industria alimentaria, la generaciOn de energia, etc. Existen una gran multitud de metodos para producir burbujas pequefias. Entre los metodos mas antiguos destacan: la agitaciOn vigorosa y mezclado de 20 las dos fases; el paso forzado de las dos fases a traves de pequetios orificios una o varias veces; el paso forzado del gas a traves de membranas porosas (Blach Vizoso, 1997, US pat. 10736212 [89]); la descarga del gas a traves de pequefios orificios o tubos alrededor de los que se fuerza una corriente de liquid° (Davila, WO/2007/096443 [90]), etc. Tambien se pueden generar 25 masivamente burbujas de pequefio tamario disolviendo cierta cantidad de gas mientras se somete a presiOn el liquid°, y descomprimiendolo posteriormente. En particular, las burbujas micrometricas ocupan un lugar esencial en una gran variedad de aplicaciones biomedicas, bioquirnicas, y de biologia molecular (ver, por ejemplo, Ref. [1] y las referencias alli citadas). Las 30 microburbujas son utilizadas como agentes de contraste, portadoras de principios activos, o vectores geneticos. Pueden ser utilizadas en trombos, en la destrucciOn de tumores, y tratamientos de disfunciones pulmonares agudas. En todas estas aplicaciones, se requieren burbujas de algunas micras de tamafio y monodispersas. 35
La sonicaciOn es probablemente la tecnica més comUnmente utilizada para producir microburbujas. Esencialmente, involucra la dispersion de un gas en un material de recubrimiento, y la estabilizaciOn de la suspension con ultrasonidos de alta intensidad [2]. Microburbujas recubiertas de material 5 polirnerico son tambien frecuentemente producidas mediante "shear stirring", utilizando como estabilizador un liquid° inmiscible con tanto el polirnero como el agua p]. En la emulsificaciOn mediante membranas, se fuerza a que los componentes pasen a traves de una membrana, lo que produce microburbujas con un cierto control sobre su tamatio y un grado de 10 monodispersidad mayor que los alcanzados mediante tanto sonicaciOn como "shear stirring" [4]. La tecnologia de impresiOn de tinta [5] y la atomizaciOn electro-hidrodinamica [6] han sido adaptadas para formar microburbujas. Estas tecnicas peuniten 15 seleccionar el tarnario de la burbuja ajustando los parametros de control correspondientes; es decir, la frecuencia y longitud del pulso de presiOn en la tecnologia de impresiOn por tinta p], y el caudal y el voltaje en la atomizaciOn electro-hidrodinamica [6]. Tambien se han producido microburbujas a partir de otros procesos fisicos, tales como ondas de choque [7] y flujos rotatorios 20 [8], pero su aplicabilidad tecnolOgica no se ha determinado ann. Se han utilizado diferentes tecnologias microfluidicas para format burbujas. La mas simple es probablemente la inyecciOn de gas en un bario liquid° a traves de microtoberas [9] o un conjunto de microcanales [10]. Se pueden emplear 25 fuerzas hidrodinamicas para controlar la rotura de la entrefase liquido-gas y asi modificar el tamario de las burbujas, la frecuencia de producciOn, etc. Los dispositivos microfluidicos diseriados para este propOsito pueden set agrupados en ties categorias principales: sistemas de co-flujos, dispositivos de flujo enfocado ("Flow Focusing"), y uniones T. En un sistema de co-flujo, el 30 gas es inyectado a traves de una tobera micrometrica en una corriente liquida que co-fluye paralelamente al eje de la tobera [11-14]. De esta forma, se producen burbujas de tamario similar al del orificio de la tobera, justo detras de dicho orificio, y debido a los esfuerzos viscosos ejercidos pot la corriente liquida. Filamentos gaseosos pueden set estirados y fragmentados en 35 microcanales convergentes [15]. Llamamos dispositivos de flujo enfocado a aquellos en los que la rotura de la entrefase es producida forzando una corriente liquida a traves de un orificio
localizado enfrente de la fuente gaseosa. Se han propuesto tanto configuraciones axisimetricas [16] como planas [17,18] para producir microburbujas a parfir de este principio. En particular, en la tecnologia conocida como "Flow Focusing" se fuerza un liquido a pasar a traves de un 5 orificio o estrechamiento nnientras que se inyecta la fase gaseosa aguas arriba del orificio y suficientemente cerca de este para que se forme un menisco capilar estacionario en forma de cUspide, de cuyo vertice emana una corriente de microburbujas [16]. Mas recientemente, se ha propuesto un metodo en el que se combina la tecnica Flow Focusing con un torbellino coaxial [28,29], para estabilizar el menisco en forma de punta de la cual emanan las microburbujas. Para el exito de esta tecnica, se tiene que garantizar la generacion de una corriente giratoria lo suficientemente intensa en la direccion axial para que se produzca una depresion suficiente a la salida del tubo capilar de descarga del gas y en su eje axial. Los tangos de mimeros de Reynolds y, 15 pot lo tanto, los mecanismos de produccion son diferentes en ambos casos. Galian-Calvo [19] obtuvo una ley de escala pan el tamatio de la burbuja basado en el balance entre la derivada temporal local y el termino convectivo de las ecuaciones no viscosas de Navier-Stokes para la fase liquida. Esa ley de escala describe satisfactoriamente los datos experimentales disponibles para la 20 configuracion axisimetrica. Garstecki et al [20] estudiaron el mecanismo de rotura de burbujas en una configuracion plana de flujo enfocado. Concluyeron que la garganta de la entrefase colapsa de forma cuasi-estacionaria, y que la frecuencia es proporcional al caudal de la fase liquida. Debe notarse que las configuraciones 25 axisimetricas y planas pueden tambien trabajar en los regimenes de Stokes [21] e inercial [22], respectivamente. El flujo enfocado axisimetrico ha sido estudiado frecuentemente a lo largo de las ifitirnas dos decadas. Ofrece algunas ventajas sobre la configuracion bidimensional: reduce los problemas asociados al mojado de fluidos 30 inmiscibles, y es mas robusto y resistente a ataques quirnicos. Ademas, su rasa de produccion es considerablemente mayor que la alcanzada por otras configuraciones, lo que lo convierte en una tecnica Optima para la produccion de, pot ejemplo, espumas [23-25]. La estabilizaciOn de las microburbujas producidas puede obtenerse pot encapsulacion mediante lipidos [26]. Se 35 puede recurrir a diferentes tecnicas para fabricar dispositivos axisimetricos, incluyendo la fabricacion en PDMS [27]. Burbujas con diametros
significativamente inferiores al del capilar de alimentaciOn pueden set formadas induciendo un movimiento rotatorio en la corriente liquida [28,29]. Los chips pianos pueden set fabricados esencialmente en un Unico paso, bien 5 mediante fotolitografia y grabado en substratos de silicio, o bien a traves de "soft lithography" en substratos de materiales polimericos (PDMS) [30,31]. Esta propiedad le ha conferido a la geometria bidimensional una gran popularidad entre los investigadores. El flujo enfocado axisimetrico fue adaptado pot primera vez a la topologia plana pot Anna et al. [32] para format emulsiones liquido-liquido. Colecciones monodispersas de microburbujas han sido frecuentemente producidas aplicando el principio de flujo enfocado a la configuraciOn 2D [17, 18, 22, 331. Dos regimenes han sido encontrados dependiendo de la proporciOn entre el caudal gaseoso y liquido: los modos "bubbling" y "squeezing" que conducen a la producciOn de burbujas y 15 ligamentos, respectivamente [34-36]. Bajo ciertas condiciones, se alcanza un regimen tipo chorro, lo que produce burbujas mucho mos pequetias que el orificio de descarga [37,38]. Microburbujas muy estables fueron obtenidas por encapsulaciOn con lipidos en dispositivos pianos de flujo enfocado [39,40]. Las burbujas pueden set agrupadas para format espumas [41,42] y rejillas de 20 difracciOn [43] con diferentes topologias. Se ha prestado especial atenciOn al papel jugado pot la forma [44-46] y configuraciOn [47,48] de los canales. La configuraciOn mas popular para producir gotas y burbujas es probablemente la union T. Fue incorporada por primera vez en un dispositivo 25 microfluidico por Thorsen et al [49] para generar emulsiones. Posteriormente, fue adaptada Gunther et al. [50] para producir microburbujas. En las uniones T, dos corrientes inmiscibles se cruzan, lo que genera esfuerzos sobre la entrefase suficientemente intensos como para producir su rotura. La mayoria de las realizaciones experimentales trabajan en el denominado modo 30 "squeezing". En este caso, tanto la inercia como los esfuerzos viscosos juegan un papel secundario comparado con la presiOn hidrostatica, la tension superficial, y la configuraciOn geometrica. La corriente gaseosa penetra en la liquida durante el proceso de crecimiento de la burbuja. Cuando la protrusiOn gaseosa practicamente obstruye el canal liquid°, las fuerzas hidrostaticas 35 deforman y finalrnente rompen la entrefase, venciendo la resistencia ofrecida pot la tension superficial. El volumen de la filament° gaseoso resultante esta esencialmente detenuinado pot el product° del caudal gaseoso y el tiempo durante el cual la burbuja ha crecido [51]. La influencia de la forma [52] y
tamatio pN de la union T sabre el volumen del filament° gaseoso ha sido determinada experimentalmente. El mecanismo descrito anteriormente no tiene lugar en todos los casos. Par ejemplo, van Steijn et al. p41 descubrieron que, bajo ciertas condiciones, el flujo inverso que surge alrededor de la punta 5 del filament° gaseoso determina cuando la garganta colapsa para liberar una burbuja. A medida que el nUmero capilar (el cociente entire las fuerzas de viscosidad y tension superficial) crece, el modo "squeezing" da paso al regimen "bubbling" 10 [55-58].En este regimen, las fuerzas viscosas colaboran con e incluso dominan a la presiOn hidrostatica para liberar la burbuja en contra de la oposiciOn de la tension superficial. De esta forma, se producen colecciones monodispersas de burbujas esfericas. Sus tamarios estan afectados par el valor del numero capilar p71• Otros modos mas complejos han sido tambien identificados a 15 medida que los caudales y las propiedades superficiales cambian [50,59]. Se han propuesto variaciones de la configuraciOn union T estandar para reducir el tamario de las burbujas [60]. Par ejemplo, Chen et aZ [61] desarrollaron un microchip dentro del cual se introdujo un capilar de vidrio muy fino para producir burbujas con diametros de muy pocas micras. 20 En el denominado regimen "jetting", la fase dispersa forma un ligament° cilindrico largo comparado can su diametro. Este ligament° se rompe en una colecciOn cuasi-monodispersa de gotas/burbujas debido a la inestabilidad de Rayleigh [62]. El modo "jetting" es interesante porque da lugar a 25 gotas/burbujas significativamente mas pequerias que las producidas en los modos "squeezing" y "bubbling". Este modo tiene lugar solo si se verifican dos condiciones simultaneamente: (i) la fuerza impulsora es suficientemente intensa para vencer la tension superficial y establecer el chorro, y (ii) este no es absolutamente inestable [63]. Estas dos condiciones se verifican facilmente en 30 sistemas liquido-liquido tanto en configuraciones de co-flujo [64] coma en dispositivos de flujo enfocado [65]. Se ha formado chorros (peliculas) liquidas que co-fluyen con otras corrientes liquidas en uniones T [66-69]. Sin embargo, el modo "jetting" es mucho mas dificil de alcanzar en sistemas gas-liquido, donde la tension superficial es generalmente mayor, y el chorro es proclive a la 35 inestabilidad absoluta [70]. Se han producido microburbujas en un dispositivo de flujo enfocado a partir de la rotura de un filament° de aire impulsado pot una corriente de agua-etanol [71], agua-glicerol [37], y agua destilada can
surfactantes [38]. Hasta donde nosotros conocemos, no se ha observado el regimen "jetting" en sistemas gas-liquido manipulados con una union T. El mojado en dispositivos microfluldicos afecta criticamente el 5 comportamiento y estabilidad de las entidades fluidas que aparecen en esos dispositivos, tanto para sistemas liquido-liquido [72] como gas-liquido [13,73]. En particular, cuando un chorro toca y se adhiere a una pared sada, forma un "rivulet" cuyas propiedades de estabilidad difieren completamente de las de un ligament° cilindrico. Davis [74-] demostrO que la estabilidad de un "rivulet" estatico depende esencialmente del comportamiento de las lineas de contact° triple [75]. Si se encuentran ancladas, entonces el rivulet es incondicionalmente estable para angulos de contacto inferiores a 90 grados, y existe un tango de nilmeros de onda inestables para Angulos de contacto superiores a ese valor umbral [74,76]. Por el contrario, si las lineas de contacto 15 triple se pueden desplazar, el "rivulet" es inestable incondicionalmente. La validez de este resultado ha sido posteriormente extendida a otras configuraciones tipo "rivulet". Por ejemplo, Brinkmann and Lipowsky [77] obtuvieron la misma predicciOn para un "rivulet" estAtico de longitud finita. 20 Mechkov et aZ [78] mostraron a partir de la aproximacion de lamina delgada que el catheter de la estabilidad de un "rivulet" en movimiento bajo la acciOn de una fuerza masica es basicamente el mismo que el predicho por Davis en el caso estatico. Tambien concluyeron que, aunque la fuerza masica produce una disminuciOn de los factores de crecimiento, siempre existe un rango de 25 mameros de onda para el cual el "rivulet" es inestable si el Angulo de contacto es mayor que 90 grados. Ademas, es crucial que la linea de contacto se encuentre totalmente anclada. De hecho, la existencia de bordes suaves no es suficiente para suprimir la inestabilidad. La teoria de la lubricaciOn muestra que "rivulets" poco profundos (con Angulos de contacto menores que 90 30 grados) sobre un plano inclinado son incondicionalmente inestables [79]. Simulaciones de Dinamica Molecular [80] han confirmado la validez del criterio de Davis para "rivulets" naometricos. Roy y Schwartz [81] consideraron distintas configuraciones de substrato, y re-obtuvieron las predicciones de Davis como caso particular. Se han testeado los flujos basicos 35 calculados con las aproxirnaciones de lubricaciOn y lamina delgada bajo la acciOn de la gravedad [82] y esfuerzo tangencial [83] a partir de las ecuaciones de Navier-Stokes [82,83]. Estas ecuaciones han sido utilizadas tambien para analizar la estabilidad lineal de "rivulets" planos descendiendo a lo largo de
una superficie vertical [84]. El analisis de estabilidad lineal pet lite no solamente describir la apariciOn de inestabilidades, sino que proporciona predicciones para la rotura no lineal con una precision aceptable [85]. 5 En principio, los "rivulets" pueden set formados en dispositivos microfluidicos imprimiendo tiras liOfilas/liOfobas sobre la superficie de un conducto. Para este fin, se puede hacer uso de sellos de elastOmeros, deposiciOn de vapor mediante mallas, etc. Brinkmann y Lipowsky [77] han mostrado que se pueden crear canales quimicos solamente silos angulos de 10 contacto que caracterizan las superficies liOfilas y liedobas verifican ciertas condiciones. El uso de canales quimicos puede set ventajoso en microfluidica porque impide la obturaciOn mediante particulas en suspension, tales como coloides y biopolfrneros. El comportamiento de los "rivulets" liquidos fluyendo a traves de canales liOfilos ha sido estudiado frecuentemente durante 15 las dos Uldmas decadas (ver, por ejemplo, Refs. [77, 86-881, y las referencias citadas allf). Pot el contrario, los "rivulets" gaseosos moviendose sobre superficies hidrOfobas no han sido considerados todavia. Referencias 20 [1] E. Stride and M. Edirisinghe, Soft Matter, 4, 2350 (2008). [2] E. Unger, T. McCreery, R. Sweitzer, V. E. Caldwell, and Y. Wu, Invest. Radiol., 33, 886 (1998). [3] K. Bjerknes, K. Dyrstad, G. Smistad, and I. Agerlcvist, Drug Dev. Ind. Pharm., 26, 847 (2000). 25 [4] S. Joscelyne and G. Tragardh, J. Membr. Sci., 169, 107 (2000). [5] M. Bohmer, C. Chlon, C. Guedon, W. Shi, C. H. B. Schmidt, A. van Wamel, K. Kooiman, M. Emmer, and N. de Jong,19th International Congress on Acoustics, Madrid (2007). [6] U. Farook, H. B. Zhang, M Edirisinghe, E. Stride, and N. Saffari, Med. Eng. Phys., 29, 30 749 (2007). [7] C. D. Ohl and R. Ikink, Phys. Rev. Lett., 90, 214502 (2003). [8] R. Bergmann, A. Andersen, D. van der Meer, and T. Bohr, Phys. Rev. Left., 102, 204501 (2009). [9] S. Vafaei and D. Wen, J. Colloid Interface Sci., 343, 291 (2010). 35 [10] M. Yasuno, S. Sugiura, S. Iwamoto, M. Nakajima, A. Shono, and K. Satoh, AIChE, 50, 3227 (2004). [11] C. S. Smith, J. App!. Phys., 20, 631 (1949). [12] A. Bhunia, S. C. Pais, Y. Kamotani, and!. H. Kim, AIChE, 44, 1499 (1998). [13] A. Serizawa, Z. Feng, and Z. Kawara, Experimental Thermal Fluid Sci., 26, 703 (2002). 40 [14] R. Xiong, M. Bai, and J. N. Chung, J. Micromech. Microeng., 17, 1002 (2007). [15] 0. Amyot and F. Plouraboue, Phys. Fluids, 19, 033101 (2007).
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este caso, la prominencia es en realidad un escalem que proviene del canal de alimentaciOn de gas y continua hasta el canal de descarga, pero el efecto que se produce sigue siendo la generaciOn de microburbujas de tamatio comparable a la altura del escalOn, mucho menores que el tamafio del canal. (c) GeneraciOn 5 de microburbujas segun otra alas de las configuraciones propuestas en esta invenciOn. Se utiliza una configuraciOn de canales en T, con la particularidad de que ahora no se tiene ninguna prominencia, sino que un Area de la superficie del canal de descarga segun se describe en esta invenciOn, con forma alargada en la direcciOn del canal, sirve de soporte para una corriente de 10 gas o "rivulet" que puede set inestable y romperse en burbujas al principio o en naitad de la superficie hidrOfoba, o estable y formal un cordon continuo a lo largo de la superficie hidrOfoba, rompiendose en burbujas solo cuando dicho cordon de gas llega al extremo de dicha superficie hidrOfoba en la direcciOn del flujo en el canal de descarga. 15 Figura 3: Esquema de la configuraciOn de canales en T. Esta configuraciOn tiene la particularidad de que las variaciones de presiOn al pasar el liquid° pot la zona de alimentaciOn de gas son rninimas frente a las otras configuraciones. 1: canal de alimentaciOn del liquido; 2: canal de alimentaciOn del gas; 3: canal 20 de descarga; 4: zona hidrOfoba de la superficie interna del canal de descarga. y Qg son los caudales volumetricos de liquido y gas que circulan pot los canales 1 y 2, respectivamente. p y r hacen referencia a la viscosidad y densidad de los fluidos (liquid° o gas), y los subindices "1" o "g" hacen referencia a liquid° o gas, respectivamente. L y w hacen referencia al tamalio 25 caracteristico de la secciOn transversal de los canales (1, 2 o 3) y a la anchura de la zona o tira hidrOfoba, respectivamente. DESCRIPCION DE LA INVENCION Esta invenciOn hace uso de las diferencias de energia superficial liquido-sOlido 30 que se reflejan en el Angulo de contact° estatico de un cierto liquid° sobre superficies hidrOfilas o hidrOfobas. Estas diferencias, utilizadas inteligente-mente en combinacion con una geometria apropiada, se pueden emplear en la estabilizaciOn de corrientes gaseosas de pequeiias dimensiones para la generaciOn de microburbujas.
Para la deterrninaciOn de las geometrias mas adecuadas de acuerdo con la invenciOn aqui descrita, la experimentaciOn ha demostrado que son necesarias al menos las siguientes condiciones basicas: 1- Que se dispongan dos canales de alirnentaciOn independientes: uno 5 para el gas (primer canal) del que van a estar constituidas las burbujas, y otro (segundo canal) para el medio liquid° en el que van a formarse. 2- Que ambos canales confluyan en una region comUn, o zona de descarga, que definith la secciOn de descarga del gas cuando ambas fases, liquid° y gas, sean alimentadas simultaneamente. 10 3- Que se disponga un canal de descarga (tercet canal) que parta de dicha region conthn, y que finalinente conducira al liquid° con las microburbujas generadas hacia la descarga del dispositivo. 4- Que la superficie del primer canal, mojada pot el gas, sea fundamentalmente hidrOfoba y la del segundo canal, mojada por el 15 liquido, sea hidrOfila en las regiones contiguas a la zona de descarga de los canales correspondientes. 5- Que la superficie interna del tercer canal (o de descarga del dispositivo), sea fundamentalmente hidrOfila, pero con una zona hidrOfoba en forma alargada, definida a partir del borde de descarga del primer canal, y que 20 continue hacia dentro del tercer canal. Esta superficie sera el soporte para que la corriente de gas discurra sin discontinuidades, desde el primer canal hasta el tercer canal, quedando adherida a la superficie interna de dicho canal en la zona hidrOfoba mientras es arrastrada por la corriente de liquido. Finalmente, dicha corriente de gas se rompeth 25 en burbujas en algUn punto intermedio o al final de la zona hidrOfoba dependiendo del flujo relativo entre el liquido y el gas, de la tension superficial del liquido con el gas, y de las viscosidades del liquido y del gas. Una configuraciOn geometrica que resulta ventajosa es que la zona hidrOfoba 30 alargada en el tercet canal o de descarga este situada sobre una protuberancia o region definida aguas abajo y contigua a la secciOn de descarga del gas, pero dentro del canal de descarga de las burbujas. Ademas, la dinamica de la rotura capilar de la corriente de gas en forma de burbujas demanda que la anchura o dimension transversal de la mencionada region hidrOfoba del canal de
descarga de las burbujas sea comparable a la dimension que se desea para las burbujas. Finalmente, la experiencia muestra que la region hidrOfoba del tercer canal o de descarga que se ha descrito define un canal fluido continuo formado pot la 5 interfase liquido-gas, bajo ciertas condiciones de flujo que se van a definir, de manera que el gas puede fluir a lo largo de dicho canal fluid° arrastrado par la corriente de liquido, siendo las condiciones de dicho arrastre viscoso las que fundamentalmente establecen el flujo de gas o equivalentemente la frecuencia de formaciOn de las burbujas. Se ha demostrado experimentalmente que la it) zona hidrOfoba descrita puede set tambien un area alargada, par ejemplo de forma rectangular y dirigida en la direcciOn de la cortiente a lo largo del tercer canal, sin tenet que estar sobre una protuberancia, siempre que se cumplan ciertas condiciones: 1- Que dicha zona permita la circulaciOn de gas desde el primer canal de 15 descarga hasta el tercer canal, sin producirse discontinuidades, 2- Que dicha zona este situada justo al horde de la salida del primer canal, que debera tener una pane final tambien hidrOfoba y que forme una superficie continua con la zona alargada que se esta describiendo. Asi, en esta invenciOn se proponen varias configuraciones que cumplen las 20 anteriores condiciones y que deben set considerados objetos de esta invenciOn englobados en la misma familia conceptual En una de las configuraciones descritas en esta invenciOn para producir microburbujas se utiliza una union en T de canales microfluidicos. Se imprime una tira hidrOfoba sabre la superficie del canal que transporta tanto la fase 25 liquida coma gaseosa. Bajos ciertas condiciones, se forma un "rivulet" gaseoso a lo largo de la tira. El "rivulet" se rompe aguas abajo dando lugar a una colecciOn monodispersa de microburbujas de tamailo muy inferior al del canal. Este comportamiento recuerda hasta cierto punto al regimen anular encontrado par Wang et al. 1581. La tecnica propuesta ofrece varias ventajas 30 sabre metodos previos. El "rivulet" constituye un elemento de resistencia viscosa que permite controlar el flujo gaseoso. Este elemento impide que las perturbaciones originadas en la liberaciOn de la burbuja viajen aguas arriba desestabilizando el menisco del que emana el "rivulet". Debido a que el "rivulet" no puede atascarse, se convierte en un canal anti-bloqueo en el caso 35 de que aparezcan, incrementando la robustez del dispositivo. Finalmente, los caudales de gas y liquid° son muy superiores a los alcanzados en las uniones T
en los modos "squeezing" y "bubbling", y, pot lo tanto, las tasas de producciOn de microburbujas tambien. MODO DE REALIZACION DE LA INVENCION 5 Las configuraciones descritas en las Figuras 2 y 3 pueden ser construidas en PDMS (polidimetilsiloxano o silicona), u otro material polimerico, asi como en metal o ceramica. La longitud caracteristica L o ancho de los canales puede set desde 1 micra a 1 centimetro, aunque normalmente dichos canales tienen anchuras del orden de 100 micras. 10 Por otro lado, el ancho w de la tira hidrofoba o de la zona prominente de cualquiera de las configuraciones de csta invencion puede set entre 0.5 micras y 50 mm, siempre que se cumpla que w<L.