Name: the diffusion of passive tracers in laminar shear flow
Uploaded: 2018-05-01T13:30:00.000+00:00
Duration: 8 min 1 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about The Diffusion of Passive Tracers in Laminar Shear Flow at JoVE.com

אנו להכיר במימון המשרד של חיל הים המחקר (גרנט DURIP N00014-12-1-0749), הקרן הלאומית למדע (מענקים RTG DMS-0943851, CMG ARC-1025523, DMS-1009750 ו- DMS-1517879). בנוסף, אנו להכיר את עבודתו של שרה ג ברנט שעזר לפתח גרסה מוקדמת של הגדרת הניסוי ואת פרוטוקול.

1. הכנת החלקים כדי לבנות את הגדרת הניסוי
<ol><li>לנצל הציורים CAD תלת-ממד מצורף (בפורמט .stl) על 3D-הדפס למוצב מזרק מאגר, מחבר משושה, שתי צלחות כדי לשמש טעינות צינורות (שניים עבור כל הגיאומטריה). הערה: לחלופין, חלקים מסוימים של ההתקנה ניתן בחיתוך לייזר. בדו ח זה, הכיכר צינור עבה יש כבר רכוב עם צלחות בחיתוך לייזר, בעוד דק מלבני הצינור יש כבר רכוב עם צלחות מודפס 3D.</li>
	<li>להשיג צינורות קפילר זכוכית חלקה של הגיאומטריה הרצוי. הערה: בדו ח זה, שתי גיאומטריות pipe משמשים: צינור 30 ס מ באורך של חתך מרובע-חתך רוחב פנימי 1 מ"מ x 1 מ"מ, עובי הקיר 0.2 מ מ; צינור 30 ס מ באורך של חתך מלבני-חתך רוחב פנימי 1 מ"מ x 10 מ"מ, עובי 0.7 מ מ. צינור מרובע הוא מעתה ואילך המכונה הצינור עבה, ואילו הצינור מלבנית נחשבת הצינור הדק.</li>
</ol>2. הרכבה של ההתקנה ניסיוני
<ol><li>הקשה של החלקים מודפס 3D<ol>
<li>הקש על הפוסט מזרק לשני הצדדים באמצעות "1/8 (0.32 ס מ) NPT הקשה שבו יהיה מותקן על הזרקת מחטני וצבע קלט. הקש על המאגר מאחור עם ברז 10-32 שבו יותקן צינור ניקוז.</li>
		<li>הקש את חורי הברגים ארבע בהקשה 6-32 בחלק הקדמי של המאגר. הקש על היצירה מחבר משושה על החלק העליון והחלק התחתון באמצעות הקשה 6-32.</li>
	</ol></li>
	<li>הכנת החלקים מצותתים מודפס 3D<ol>
<li>מזרק פוסט<ol>
<li>מכסים את חוטי צינור טקסוס מתאים עם PTFE אטימה קלטת. בורג ההתאמה מוכן אל החור האחורי של פוסט מזרק. חותכים פיסת ס מ באורך 30 צינורות פלסטיק (הקוטר הפנימי 3.30 מ מ). הכנס את הצינורית על מתאם צינור.</li>
			<li>לכסות את החוטים של המחט שחולק מפלדת (הקוטר החיצוני 0.71 מ"מ) עם PTFE אטימה קלטת. בורג המחט מפלדת שחולק על החור (גדול) קבלה על גבי הפוסט מזרק.</li>
		</ol>
</li>
		<li>מאגר מים<ol>
<li>מכסים את חוטי צינור טקסוס קטן מתאים עם PTFE אטימה קלטת. בורג ההתאמה מוכן אל החור האחורי של המאגר (חור קטן יותר).</li>
			<li>חותכים פיסת ס מ באורך 30 צינורות פלסטיק (הקוטר הפנימי 3.30 מ מ). הכנס את הצינורית על גבי מתאם צינור. סגור את הקצה השני של הצינור עם כובע קטן. הערה: זו תהיה מערכת ניקוז עבור המאגר.</li>
			<li>מקום קונדום o-ring (עמידות שמן לבונה-N o-ring, 1 / "16" (0.16 ס"מ) רוחב שברים, מקף מס 016) המיתון מעגלית בקצה הצינור של המאגר.</li>
		</ol>
</li>
		<li>מחבר משושה<ol>
<li>מכסים את חוטי צינור טקסוס קטן מתאים עם PTFE אטימה קלטת. בורג ההתאמה מוכן אל החור התחתון של המחבר משושה.</li>
			<li>חותכים פיסת ס מ באורך 30 צינורות פלסטיק (הקוטר הפנימי 3.30 מ מ). הכנס את הצינורית על מתאם צינור.</li>
			<li>מכסים מתאם צינור עם איטום מצופפי בלם זעזועים. הקפד לכסות את מתאם צינור הולך נגד החוטים.</li>
			<li>חותכים פיסת ס מ באורך 4 צינורות פלסטיק (הקוטר הפנימי 3.30 מ מ). הכנס את הצינורית על מתאם צינור.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
	<li>להכין את הצינור<ol>
<li>להפיץ שכבה דקה של RTV גומי איטום 2 מ מ בלבד בכל קצה של הצינור. להפיץ את חומר האיטום באופן שווה סביב החלק החיצוני של הצינור, לוודא שלא להכשיל את הגישה צינור עם חומר האיטום.</li>
		<li>לטעון את הצינור על גבי הלוחות הדפסת תלת-ממד על-ידי הוספתו בזהירות לתוך החורים חתוכות מראש על המתאמים הצינור מודפס 3D. ודא לדחוף את הצינור בלפחות 2 מ מ, כך חומר האיטום לאורך כל צד יוצר קשר עם הצלחות.</li>
		<li>בזהירות להפיץ חומר האיטום אל הקצה של הצלחת כך הצינור מקבל אטום לתוך אזור החיתוך. המתן לפחות 12 שעות עבור חומר האיטום באופן מלא vulcanize ובכך איטום הצינור על גבי הלוחות.</li>
	</ol></li>
	<li>למדוד 0.40 גר' אבקת fluorescein להכין את הפתרון לצבוע. לדלל אבקה לתוך 0.50 לליטר מים מזוקקים כדי להשיג את ריכוז הצבע הרצוי (ריכוז 0.80 g/L). הערה: diffusivity של fluorescein במים מוערך על ידי ביצוע שריבועים מתאים של הביטוי אנליטי עבור מומנט ההתמד של ההתפלגות מעקב cross-sectionally בממוצע ב גאומטריה צינור עגול14 ניסיוני מידת באותה הכמות. המקדם פעפוע מוערך κ = 5.7 x 10-6 ס מ2/s, בקנה אחד עם הערכים שפורסמו בעבר של diffusivity של fluorescein במים טהורים.</li>
	<li>הרכבה<ol>
<li>משאבת מזרק מלכודת<ol>
<li>ממלאים מזרק פלסטיק 12 mL פומפה גומי עם מים מזוקקים. הוסף טיפ שחולק פלסטיק על גבי המזרק. לטעון המזרק אל משאבת מזרק א התחבר המזרק 30 ס מ באורך צינור בחלק התחתון של המחבר משושה.</li>
			<li>ממלאים מזרק פלסטיק 1 מ"ל פומפה גומי עם מים מזוקקים. לטעון את המזרק אל משאבת מזרק א לחתוך חתיכה 30 ס מ באורך של צינורות פלסטיק (הקוטר הפנימי 3.30 מ מ). לצרף את זה במזרק פלסטיק 1 מ"ל. הערה: שני מזרקים מלאים מים מזוקקים הם רכובים על משאבת מזרק א כפי המשאבה מופעל, מים ב'מגש מ שני מזרקים. הראשון כדי לשמש הוא המזרק 12 מ ל, כך המזרק 1 מ"ל צריך להיות מחובר צינור ניקוז כדי למנוע כתמי מים. השלב זה לא הכרחי עבור צינור דק מלבני.</li>
		</ol>
</li>
		<li>התקנת מזרק<ol>
<li>ממלאים מזרק פלסטיק 3 מ"ל פומפה גומי עם הפתרון fluorescein. הוסף טיפ שחולק פלסטיק על גבי המזרק.</li>
			<li>לצרף את הצינור מחובר בגב של מזרק המזרק לצבוע.</li>
			<li>למלא את ההודעה מזרק עם הפתרון לצבוע בהזרקת צבע דרך המזרק באופן ידני תוך החזקת את ההודעה מזרק אופקית (כלומר. עם מחט אוריינטציה כלפי מעלה, מעל המזרק). המשיכי לדחוף את המזרק עד מזרק מלא של צבע, אין אוויר לכוד בפנים.</li>
			<li>לטעון את המזרק אל משאבת מזרק ב' מהדק מזרק פוסט על קצה הספסל מעבדה באופן זה הינו נגיש באמצעות הצינור מחובר את משאבת מזרק.</li>
			<li>הכנס דיסקיות קטנות על ארבעת הברגים ארוך (חוט ברגים במכונה פיליפס ראש פאן נירוסטה 6-32, 2-1/4 פלייר (5.76) ס"מ). הכנס את ארבעת הברגים ארבעה חורים המקיפים את המחט. הערה: ודא ראש הבורג הוא על הגב של פוסט מזרק (באותו צד כמו הצינור מחובר המזרק צבע).</li>
		</ol>
</li>
		<li>מחבר משושה<ol>
<li>מקום שני-טבעות O (עמידות שמן לבונה-N o-ring, 1 / "16" (0.16 ס"מ), רוחב שברים מקף מס 016) המגרעות מעגלית בכל צד של המחבר משושה.</li>
			<li>חברו המחבר משושה מזרק פוסט על ידי יישור חוריו ארבעת הברגים ומחדיר אותו עליהם. ודא שיש את הצד עם החור גדול יותר מול הדואר מזרק. בדוק וודא כי o-ring לא זזה מהמקום כאשר כשכרטיס בין שני חלקי.</li>
		</ol>
</li>
		<li>צינור<ol>
<li>לצרף אחד הלוחות-הקצה מחובר לצינור למחבר משושה על ידי יישור חוריו ארבעת הברגים והכנסתו לעברם. שים לב כדי שהמחט אשר צריך להזין את הצינור כמו להיות נטענה.</li>
			<li>אבטח את ארבעת הברגים ארוך כדי לדחוס ביחד את מזרק המחבר משושה, את הצלחת מתאם צינור-על-ידי צירוף 4 6-32 פלדת אל-חלד אגוזים בסוף המנעולים ארוך. ודא כי הטבעות הו לא זז מהמקום כאשר כשכרטיס בין החלקים.</li>
			<li>לצרף בצד השני של הצינור המאגר באמצעות 4 ברגים קצר ודיסקיות (חוט ברגים במכונה פיליפס ראש פאן נירוסטה 6-32, 1/2"(1.27 ס מ) אורך). בדוק o-ring לא זזה מהמקום כשהוא דחוס בין שני חלקי.</li>
		</ol>
</li>
		<li>תהדק את המאגר לשולחן. ודא כי המאגר מיושר עם הדואר מזרק שלא לכופף את הצינור.</li>
		<li>אוויר מערכת חילוץ: הוסף טיפ שחולק פלסטיק לתוך הצינורית מחוברת לחלק העליון של המחבר משושה. לצרף מזרק 3 מ"ל הטיפ פלסטיק. הערה: המזרק ישמש כדי לחלץ את כל בועות אוויר לכוד בתוך המערכת.</li>
		<li>אורות, מצלמה<ol>
<li>מקום שני 61 ס מ באורך קרינת UV-A צינור אורות בכל צד של ההתקנה ניסיוני. הערה: יש מסלול מעוצב במיוחד בכל צד של מזרק וגם מאגר מים. הניסוי צריכה לפעול בחושך עם האורות צינור קרינת UV-A מופעלת.</li>
			<li>מקום מצלמה עם כרטיס זיכרון מעל הגדרת הניסוי פונה כלפי מטה. הערה: המצלמה רצוי למקם לפחות 1 מ' מעל רכיב ה-pipe. בדרך זו, המסגרת יכלול את אורך הצינור כולו. השתמשו מצלמת DSLR עם עדשה של עדשה של אורך המוקד מתכווננת, 24-120 מ מ.</li>
			<li>לתכנת את המצלמה באמצעות שלט מרחוק כדי לצלם תמונות כל 1 s עם צמצם 5.6f, מהירות צמצם 5 ו ISO 200.</li>
		</ol>
</li>
	</ol></li>
</ol>3. לפעול ניסיונית
<ol><li>תוכנית ההתקנה<ol>
<li>למלא את המאגר מים מזוקקים לרמה מעט מעל רכיב ה-pipe. למלא צינור מים מזוקקים על-ידי לחיצה על משאבת מזרק. תדליקו את האורות קרינת UV-A צינור ומשוך את וילונות האפלה.</li>
		<li>הפעל את משאבת מזרק לתכנות כדי לשטוף את הצינור של כל צבע שיורית.</li>
		<li>קחו תמונת ייחוס בודדת של צינור מלא במים מזוקקים טהור. הערה: זהו ההפניה כי ייעשה שימוש בעיבוד נתונים צעדים לאחר מכן. התמונה הזאת צריך להילקח בחושך בתנאים הדומים ככל האפשר לפעול ניסיונית.</li>
		<li>להחליף את הצינור מתחבר פוסט מזרק במזרק 1 מ"ל רכוב על משאבת מזרק א התחבר המזרק 12 mL כדי צינור ניקוז (בעבר מחובר המזרק 1 מ"ל). הערה: השלב זה לא הכרחי עבור צינור דק מלבני.</li>
	</ol>
</li>
	<li>תנאי ראשוני<ol>
<li>להזריק גוש 1 מ מעבה של צבע (3 מ מעבה בים מלבני דק) בצינור על-ידי הפעלת המשאבה מזרק אנלוגי B. הערה: שלב זה יוצר את התנאי הראשוני של צבע. כמות צבע מוזרק תלוי הגיאומטריה של רכיב ה-pipe בשימוש. צינורית דקה דורש כמות גדולה של צבע כי אזור חתך הרוחב שלו הוא גדול יותר. לפני הפעלת ניסיוני, לצבוע יהיה מפוזר על פני חתך הרוחב, הזרקת כמות גדולה של צבע ומבטיח שזה יהיה מספיק פיקח. להיות בשבי תמונות אפילו אחרי זה יש ליישב.</li>
		<li>משאבת מזרק תוכנית כדי להזריק מים מזוקקים בקצב הזרימה איטית מאוד של 0.193 mL/h עבור צינור מרובע עבה (קצב הזרימה הוא 1.93 mL/h על הצינור מלבני דק). הפעל את משאבת מזרק 5 דקות לאפשר את בולוס של צבע כדי להעבירם הצינור מן המחט. הערה: לאחר 5 דקות, לצבוע צריך להיות כ- 1 ס מ מן המחט. הגדלת קצב הזרימה לפי סדר גודל אחד של הצינור הדק הוא מכיוון שאמצעי האחסון של צינור דק פי 10 של הצינור עבה.</li>
		<li>משוך את המזרק לצבוע לאחור באופן ידני, מוודא שלצבוע לא מגיע את המחט. הערה: פעולה זו תבטיח כי אין מים בסוף המחט מזוקקים כך לצבוע יותר להיות מפוזרים לתוך הצינור במהלך הריצה ניסיוני.</li>
		<li>לחכות זמן tw > t *d עבור בולוס לצבוע לפזר על פני חתך הרוחב של הצינור. הערה: זמן המפזרת t *d = b2/κ מחשיב את b אורך האופיינית להיות חצי בצד חתך זמן. בדרך זו של מחשוב זמן ההמתנה היא להכליל את כל חתך עם הבחירה המתאימה של b. לתוצאות הנציגה שלנו, זמן ההמתנה היה 15 דקות עבור צינור מרובע עבה ו- h 15 עבור צינור דק מלבני.</li>
	</ol>
</li>
	<li>זרימה<ol>
<li>תוכנית משאבת מזרק א' את קצב הזרימה הרצויה של 1.93 mL/h עבור צינור מרובע עבה ו- 19.3 mL/h על הצינור מלבני דק.</li>
		<li>להתחיל את משאבת מזרק וההדק מרחוק על המצלמה באותו זמן. הפעל את הניסוי במשך 5 דקות, עם מרווח בין תמונות של 1 s.</li>
		<li>תדליק את האורות בחדר, קח תמונה של שליט ממוקמים באותו גובה כמו צינור מקביל לו. הערה: זה יעזור לקבוע את קנה המידה של אורך (פיקסלים/מ מ) בשימוש עיבוד נתונים.</li>
	</ol>
</li>
</ol>4. עיבוד נתונים
<ol><li>לחלץ את כרטיס הזיכרון מהמצלמה, להוריד את הנתונים למחשב שבו ייעשה שימוש בתוכנת עיבוד תמונה לנתח את זה.</li>
	<li>ניתוח MATLAB<ol>
<li>תחילה להחסיר נורה תמונה הפניה (שלב נקרע ב 3.1.3) מתוך התמונה ניסיוני הראשון.</li>
		<li>לחתוך את התמונה לאורך שולי העליון והתחתון של הצינור. ודא לסובב את התמונה אם הצינור לא מיושר עם המסגרת.</li>
		<li>סכום הקריאה בעוצמה של הערוץ הירוק אנכית בתמונה המתקבלת. הערה: זה הוא יחסי עוצמת צבע חתך הרוחב הכולל כפונקציה של האורך לאורך הצינור.</li>
		<li>המרת יחידות אורך מפיקסלים מ"מ באמצעות ציר אורך פיזי מ כיול התמונה (ראה שלב 3.3.3).</li>
		<li>חזור על כל שאר התמונות. התוצאה ברצף זמן של עקומות מדידת ריכוז צבע הכולל לאורכו של הצינור.</li>
	</ol>
</li>
</ol>

<ol>
	<li>Dutta, D., Leighton, D. T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dispersion+in+Large+Aspect+Ratio+Microchannels+for+Open-Channel+Liquid+Chromatography.">Dispersion in Large Aspect Ratio Microchannels for Open-Channel Liquid Chromatography.</a> Anal. Chem. 75 (1), 57-70 (2003).</li><li>Blom, M. T., Chmela, E., Oosterbroek, R. E., Tijssen, R., van den Berg, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On-Chip+Hydrodynamic+Chromatography+Separation+and+Detection+on+Nanoparticles+and+Biomolecules.">On-Chip Hydrodynamic Chromatography Separation and Detection on Nanoparticles and Biomolecules.</a> Anal. Chem. 75 (24), 6761-6768 (2003).</li><li>Betteridge, D., Fields, B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Construction+of+pH+Gradients+in+Flow-Injection+Analysis+and+Their+Potential+Use+for+Multielement+Analysis+in+a+Single+Sample+Bolus.">Construction of pH Gradients in Flow-Injection Analysis and Their Potential Use for Multielement Analysis in a Single Sample Bolus.</a> Anal. Chem. 50 (4), 654-656 (1978).</li><li>Trojanowicz, M., Ko&#322;acin&#769;ska, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Recent+advances+in+flow+injection+analysis.">Recent advances in flow injection analysis.</a> Analyst. 141, 2085-2139 (2016).</li><li>Ajdari, A., Bontoux, N., Stone, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Hydrodynamic+Dispersion+in+Shallow+Microchannels:+The+Effect+of+Cross-Sectional+Shape.">Hydrodynamic Dispersion in Shallow Microchannels: The Effect of Cross-Sectional Shape.</a> Anal. Chem. 78 (2), 387-392 (2006).</li><li>Dutta, D., Ramachandran, A., Leighton, T. D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Effect+of+channel+geometry+on+solute+dispersion+in+pressure-driven+microfluidic+systems.">Effect of channel geometry on solute dispersion in pressure-driven microfluidic systems.</a> Microfluid Nanofluid. 2 (4), 275-290 (2006).</li><li>Bontoux, N., Pe&#769;pin, A., Chen, Y., Ajdari, A., Stone, H. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Experimental+characterization+of+hydrodynamic+dispersion+in+shallow+microchannels.">Experimental characterization of hydrodynamic dispersion in shallow microchannels.</a> Lab Chip. 6, 930-935 (2006).</li><li>Vedel, S., Bruus, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Transient+Taylor-Aris+dispersion+for+time-dependent+flows+in+straight+channels.">Transient Taylor-Aris dispersion for time-dependent flows in straight channels.</a> J. Fluid Mech. 691, 95-122 (2012).</li><li>Aminian, M., Bernardi, F., Camassa, R., McLaughlin, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Squaring+the+Circle:+Geometric+Skewness+and+Symmetry+Breaking+for+Passive+Scalar+Transport+in+Ducts+and+Pipes.">Squaring the Circle: Geometric Skewness and Symmetry Breaking for Passive Scalar Transport in Ducts and Pipes.</a> Phys. Rev. Lett. 115, 154503 (2015).</li><li>Aminian, M., Bernardi, F., Camassa, R., Harris, D. M., McLaughlin, R. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=How+boundaries+shape+chemical+delivery+in+microfluidics.">How boundaries shape chemical delivery in microfluidics.</a> Science. 354 (6317), 1252-1256 (2016).</li><li>Taylor, G. I. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dispersion+of+soluble+matter+in+solvent+flowing+slowly+through+a+tube.">Dispersion of soluble matter in solvent flowing slowly through a tube.</a> P Roy Soc Lond A Mat. 219 (1137), 186-203 (1953).</li><li>Stone, H. A., Stroock, A. D., Ajdari, A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Engineering+Flows+in+Small+Devices:+Microfluidics+Toward+a+Lab-on-a-Chip.">Engineering Flows in Small Devices: Microfluidics Toward a Lab-on-a-Chip.</a> Annu. Rev. Fluid Mech. 36, 381-411 (2004).</li><li>Davis, M. E., Davis, R. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=.">.</a> Fundamentals of chemical reaction engineering. , (2003).</li><li>Barton, N. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=On+the+method+of+moments+for+solute+dispersion.">On the method of moments for solute dispersion.</a> J. Fluid Mech. 126, 205 (1983).</li></ol>

המחברים אין לחשוף.

לאחר הזרקת צבע לתוך הצינור, בולוס מועבר מן המחט הזרקת באמצעות זרימה קבועה. לאחר מכן, יש צורך להמתין מספיק זמן לצבוע לפזר על פני חתך הרוחב של הערוץ. בדרך זו, התפלגות אחידה גאוסיאן כמו מתקבל וישמש כתנאי ראשוני לניסוי. לפיכך, זרם רקע למינריות נוצר עם המשאבה מזרק לתכנות. ניסיוני להפעיל נמשך 5 דקות עם תמונות שצולמו בכל שנייה.
הבעיות הנפוצות ביותר בכיוונון באים החיבור של החלקים, את הצינורות. החלקים השונים מודפס 3D צריך להיות אטום כהלכה כאשר הוא מחובר למנוע דולף. צינורות זכוכית עדינים מאוד, חייב להיות מטופל והתקנת בזהירות.
בעיה שנתקלנו בעת מעבר מיגדרי מרכיב ה-pipe מלבני דק לצינור מרובע עבה היה בשל העובדה שעוצמת הצינור צומצם לפי פקטור של 10. כדי לשמור על חתך הזרימה הממוצעת באותה המהירות עם mL 12 הנטען מזרק, את מהירות הבוכנה ב משאבת מזרק א' היה צריך להיות נמוך ביותר. . במהירות הזאת מתוכנת מהירות הבוכנה היה לא אחיד יותר, לא ניתן להבטיח זרימה קבועה לאורך כל ההפעלה הניסיונית. לכן, העברנו הרבה יותר קטן 1 מ"ל מזרק בעת עבודה עם צינור מרובע עבה בשלב 2.5.1.
כמו כן, אחד צריך לוודא העוצמה הממוצעת לאורך הממד האנכי של רכיב ה-pipe במצב ההתחלתי כ אחיד. אם לא, מסיכת הסינון צריך להיות מיושם בכל המסגרות להביא בחשבון את הפער הזה.
החלק הפחות הדיר של הניסוי הוא הזרקת צבע (וכתוצאה מכך את הרוחב של ההתפלגות הראשונית). כמופיע מוקדם יותר, זה לא נוגע תואמים עם הסימולציות מונטה קרלו, כפי התנאי הראשוני ניסיוני יכול ליצור מחדש באמצעות הניתוח של התמונה הראשונית. הזרקת צבע וחוזר חלילה ידנית הסוגר תמיד לייצר צבע תקעים ברוחב זהה בדיוק. הטיפול בפרט צריך להחיל בעת הגדרת את בולוס צבע ראשוני. הניסוי נעשה יותר הדיר לחוקרים לצבור ניסיון בחלק זה של הפרוטוקול, אך בהחלט יכול להיות עשוי שיפורים עתידיים.
כאשר משווים את ההתקנה עם microfluidic התקנים, הפרמטר היחיד שבו מופיעים המשוואה השולטים כאשר כראוי nondimensionalized Pe מספר Péclet אם חיצי מעקב פסיבי, כלומר ההתפתחות מעקב הוא חשיפות של הזרם. הדמיון דינמי הוא מרומז ההנחה של ריינולדס נמוך (Re << 1) המבטיח u(y,z) זורם שכבתית יציב. שני פרמטרים אלה מגדיר הדמיון מלאה בין microfluidic setups את הכף של הניסוי שלנו. בפועל, אורך הצינור פיזית מגביל רק טיימס nondimensional שאנחנו יכולים להגיע בבטחה עם ההתקנה שלנו. . לזכר הלא-ממדי מאוחר מאוד, אורך הצינור הצורך יכול להיות יקר וארוך עבור מספר קבוע Péclet בהגדרת בקנה מידה גדול זה.
הגבלה ברורה של פרוטוקול נסיוני זה הוא הנתונים שנאספו הוא ייצוג 2D המתוכננת של הגיאומטריה 3D כמו התמונות נלקחים מלמעלה על הצינור. התהליך הנוכחי מאפשר רק כדי לקבל את האבולוציה של התפלגות צבע cross-sectionally בממוצע. קבלת התפלגות מוגדרת בכל מקום בצינור ולא על חתך הרוחב הממוצע שלה, השוואה עם תחזיות תיאורטי ומספרי הם הנושא של מחקר שוטף.
כל החלקים הגדרת הניסוי יש שרטוטים טכניים זמינה להורדה מה שהופך את ההתקנה בקלות נגיש, להתאמה אישית על ידי החוקר מעוניין כלשהו. בונים על התוצאות הנוכחיות, אותו סידור ישמש ללמוד יותר מורכבים ולא נחקרו גיאומטריות צינור, כמו גם משטרים זרימה שונים.

בשנים האחרונות מאמצים ניכרים כבר התמקדו בפיתוח microfluidic והתקנים מעבדה על שבב שיכול להפחית את העלויות ולהגביר את הפרודוקטיביות של הכנה כימיים ואבחון עבור מגוון של יישומים. אחד המאפיינים העיקריים של מכשירי microfluidic התעבורה מונחה הלחץ של נוזלים, התפרקה מומסים בגבול דרך microchannels. בהקשר זה, זה הפך להיות חשוב יותר ויותר כדי להבין טוב יותר את המשלוח מבוקרת של מומסים בגבול-microscale. בפרט, יישומים כגון הפרדת כרומטוגרפי1,2 ו- microfluidic זרימה הזרקת ניתוח3,4 דורשים שליטה והבנה של משלוח ממס. חוקרים מיקרופלואידיקה יש למד ותיעדו את ההשפעה של צורת חתך של התעלה על ממס הפצת5,6,7,8, ואת התפקיד של יחס גובה-רוחב הערוץ 9 , 10.
מחקרים אנליטיים ומספרי בהפצת ממס לאורך ערוצי יש לאחרונה להביא לזיהויו של מתאם בין הגיאומטריה חתך צינור צורת התפלגות ה-9,10. על צירי זמן מוקדם, ההתפלגות בחוזקה תלוי הגיאומטריה: צינורות מלבנית לשבור סימטריה כמעט מיד, בעוד צינורות אליפטית לשמור על סימטריה הראשונית שלהם הרבה יותר9. מצד שני, מתקדמים לתוך צירי זמן ארוך יותר asymmetries בהפצה ממס כבר לא להבדיל אליפסות מלבנים, נקבעים אך ורק על-ידי את יחס חתך הרוחב λ (היחס בין הקצר לצד ארוך). בהתחשב "צינורות" של חתכים אליפטית, "ducts" של חתכים מלבני, תחזיות מתוך מספרית סימולציות וניתוח אסימפטוטית היו benchmarked עם מעבדה לניסויים. דק ערוצי (יחס הגובה-רוחב << 1) לייצר מומסים בגבול המגיעים עם חזיתות חדה, מתחדדת זנב, ערוצי עבה (יחס הגובה-רוחב ~ 1) להציג את התנהגות מול10. אפקט חזקים זה חסר רגישות יחסית לתנאים הראשונית והוא יכול לשמש כדי לעזור בחר בפרופיל הפצה ממס נדרש עבור כל יישום.
ההתנהגות שפורטו לעיל של מיון דק לעומת תחומים עבה קורה לפני המשטר "טיילור פיזור" קלאסית מתמלאת. טיילור פיזור מתייחס המריחה משופרת של מומסים בגבול פסיבי זרימה שכבתית (יציבים ב נמוך מספר ריינולדס, Re) עם diffusivity יעיל והציגה, ביחס הפוך של ממס diffusivity מולקולרית κ11. שיפור זה הוא ציין רק לאחר צירי זמן ארוך, דיפוזיה, כאשר ממס יש ליישב את התעלה. ציר הזמן המפזרת כזו מוגדרת במונחים של ציר האורך האופייני של הגיאומטריה, כמו td = /κ2. המספר Péclet הוא פרמטר nondimensional אשר מודד את החשיבות היחסית של נוזלים advection להשפעות דיפוזיה. אנו מגדירים הפרמטר מבחינת היקף באורך הקצר Pe = Ua/κ, איפה U מהירות הזרימה אופיינית. (מספר ריינולדס ניתן להגדיר במספר Péclet Re = Pe κ/ν, איפה ν צמיגות קנטית מהנוזל..) ערכים אופייניים של מספר Péclet עבור יישומים microfluidic12 משתנות בין 10 ו- 105, עם diffusivities מולקולרית הנע בין 10-7 עד 10-5 ס מ2/s. ומכאן, נתן את מהירויות הזרימה ואת אורך מאזני של עניין, זה הוא קריטי כדי להבין את אופן הפעולה של מומסים בגבול עבור צירי זמן ביניים-כדי-ארוך (יחסית המפזרת ציר הזמן), הרבה מעבר התצפיות הראשונית של התנהגות מבוססת על גאומטריה ואל המשטרים cross-section מונחה אוניברסלי עבור מחלקה גדולה של גיאומטריות.
בהינתן הריבית ביישומים microfluidic, הבחירה של בקנה מידה גדול הגדרת הניסוי עשויים-קודם נראה לא טבעי. הניסויים דיווח בזאת נמצאים בסולם מילימטר, לא-microscale כמו microfluidic נכון התקנים. עם זאת, התנהגויות דומות פיזית לאפיין את שתי מערכות, מחקר כמותי של התופעה רלוונטית עדיין ניתן להשיג באמצעות כראוי קנה מידה את המשוואות השלטון, כמו מודלים של מטוסים הם העריכו במנהרות הרוח במהלך העיצוב שלב. בפרט, התאמת פרמטרים רלוונטיים nondimensional (כגון מספר Péclet לניסוי שלנו) מבטיח את יכולת ההתאמה של המודל ניסיוני. בעבודה כזאת קשקשים גדולים יותר, תוך שמירה על מונחי-לחץ זרימה, מציע כמה יתרונות על פני מלכודת microscale המסורתי. בפרט, הציוד הנדרש לייצור, לבצע, להמחיש את ההווה הניסויים הוא קל לתפעול ויקרות פחות. יתר על כן, אתגרים משותפים אחרים של עבודה עם microchannels, כגון סתימת תכופים ואת השפעת משופרת ייצור טולרנסים, הם לפתור עם ההגדרה גדול יותר. שימוש אפשרי נוסף עבור הגדרת הניסוי הזה הוא עבור מחקרים של התפלגות זמן מגורים (RTD) זורם שכבתית13.
ניתן לנתח את asymmetries הנובעים בהפצה ממס במורד הזרם דרך רגעים סטטיסטית; בפרט, מידת ההטיה, אשר מוגדר ממורכז, מנורמל ברגע השלישי, הוא הנתון הנמוך סדר נפרד הסטטיסטי מדידה את האסימטריה של התפלגות. הסימן של מידת ההטיה מציין בדרך כלל צורת ההתפלגות, כלומר. אם זה מוטה לפנים (הטיה שלילית) או לאחור (מידת הטיה חיובית). התמקדות יחס הגובה-רוחב של הערוצים, קיים מתאם ברור של גיאומטריות דק עם הפצות מוטה לפנים, וגיאומטריה עבה עם הפצות לאחור10. בנוסף, ניתן לחשב יחס גובה-רוחב קריטי המפריד בין התנהגותו מול שני צינורות אליפטית וגם צינורות מלבנית. יחסי גודל כזה כבל מוצלב דומים להפליא עבור גיאומטריות סטנדרטי, בפרט, λ * = 0.49031 עבור צינורות, λ * = 0.49038 עבור צינורות, מרמז על האוניברסליות של תאוריית ה-10.
ללמוד הפצת ממס פסיבי מונחה הלחץ בלמינריות זורם נוזל ברחבי נימים זכוכית של חתכים שונים משמשים את הגדרת הניסוי ואת השיטה המתוארת במאמר זה. הפשטות ואת הפארמצבטית הניסוי של הגדרת שיטה חזקה של ניתוח להבנת הקשר בין חתך גיאומטרי של צינור הצורה הנוצרת של ההתפלגות ממס מוזרק כפי שהוא מועבר במורד הזרם. השיטה שנדונו בעבודה זו פותחה כדי בקלות benchmark תוצאות מתמטיות ומספרי בסביבה הפיזית מעבדה.
הליך ניסיוני פשוט מתואר אשר מדגיש את תפקיד מכריע בגילומו חתך הרוחב יחסי של ערוץ fluidic בקביעת צורת התפלגות ממס במורד הזרם. הגדרת הניסוי דורש משאבת מזרק לתכנות כדי לייצר של זרימה קבועה, חלקה צינורות זכוכית של חתכים שונים, משאבת מזרק השני להחדיר את ממס באמצעי (למשל. fluorescein צבע) לזרם שכבתית שמסביב. קרינת UV-A אורות, מצלמה כדי לתעד את האבולוציה ממס. קבצי CAD ניתנים עבור כל החלקים מותאם אישית של ההתקנה ושל קבצים כאלה יכול לשמש כדי 3D-הדפסה שניסיוני חלקים מראש להרכבה.

<table><tbody><tr><td>Flourescein Dye</td><td>Flinn Scientific&amp;nbsp;</td><td>LOT: 118362&amp;nbsp;&amp;nbsp;&amp;nbsp;&amp;nbsp;&amp;nbsp;&amp;nbsp; CAS NO: 518-47-8</td><td></td></tr><tr><td>PhD ULTRA Hpsi Syringe Pump</td><td>Harvard Apparatus</td><td>703111</td><td>programmable digital syringe pump</td></tr><tr><td>Compact Infusion Pump Model 975</td><td>Harvard Apparatus</td><td>55-1689</td><td></td></tr><tr><td>Form 2 SLA 3D Printer</td><td>Formlabs</td><td>100-240</td><td></td></tr><tr><td>Glass pipes</td><td>VitroCom</td><td>4410 and 8100</td><td></td></tr><tr><td>PTFE sealing tape</td><td>Teflon</td><td>4934A12</td><td></td></tr><tr><td>PVC tubing (1/8&quot; ID)</td><td>McMaster</td><td>5231K144</td><td>5 Foot Length</td></tr><tr><td>Reusable Stainless Steel Dispensing Needle 22 Gauge, .016&quot; ID, .028&quot; OD, 1/8&quot; NPT Thrd, 2&quot; Lg&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>7590A45&amp;nbsp;</td><td>1 Required</td></tr><tr><td>RTV silicone rubber sealant</td><td>McMaster</td><td>74945A69</td><td></td></tr><tr><td>Plastic Syringe Manual, w/ Luer Lock Connection, .34 oz Capacity, Packs of 10&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>7510A653&amp;nbsp;</td><td>1 required</td></tr><tr><td>Plastic Syringe Manual, w/ Luer Slip Connection, .034 oz Cap, Packs of 10&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>7510A603&amp;nbsp;</td><td>1 required</td></tr><tr><td>Plastic Syringe Manual, w/ Luer Lock Connection, 0.1 oz Capacity, Packs of 10&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>7510A651&amp;nbsp;</td><td>2 required</td></tr><tr><td>Plastic dispensing tip</td><td>McMaster</td><td>6699A1&amp;nbsp;</td><td>3 required</td></tr><tr><td>6&quot; C-Clamps</td><td>McMaster</td><td>5133A18</td><td>2 required</td></tr><tr><td>Type 18-8 Stainless Steel Flat Washer Number 6 Screw Size, 0.156&quot; ID, 0.312&quot; OD, Packs of 100&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>92141A008&amp;nbsp;</td><td>8 required</td></tr><tr><td>18-8 SS Pan Head Phillips Machine Screw 6-32 Thread, 2-1/4&quot; Length, Packs of 50&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>91772A167&amp;nbsp;</td><td>4 required</td></tr><tr><td>Oil-Resistant Buna-N Multipurpose O-Ring 1/16 Fractional Width, Dash Number 016, Packs of 100&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>9452K6&amp;nbsp;</td><td>3 required</td></tr><tr><td>Type 18-8 Stainless Steel Hex Nut 6-32 Thread Size, 5/16&quot; Wide, 7/64&quot; High, Packs of 100&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>91841A007&amp;nbsp;</td><td>4 required</td></tr><tr><td>18-8 SS Pan Head Phillips Machine Screw 6-32 Thread, 1/2&quot; Length, Packs of 100&amp;nbsp;</td><td>McMaster</td><td>91772A148&amp;nbsp;</td><td>4 required</td></tr><tr><td>24&quot; Black Light Fixture with bulb</td><td>American DJ</td><td>B0002F5544</td><td>2 required</td></tr><tr><td>DSLR camera&amp;nbsp;</td><td>Nikon&amp;nbsp;</td><td>D300</td><td></td></tr><tr><td>24-120 mm lens</td><td>Nikon</td><td>2193</td><td></td></tr><tr><td>Remote programmable trigger</td><td>Nikon</td><td>4917</td><td>remote programmable trigger</td></tr><tr><td>Memory Card</td><td>SanDisk&amp;nbsp;</td><td>SDCFX-032G-E61</td><td></td></tr><tr><td>Metric ruler</td><td>McMaster</td><td>20345A35</td><td></td></tr></tbody></table>

the diffusion of passive tracers in laminar shear flow

מתוארת שיטה פשוטה כדי להתבונן ולמדוד את הפיזור של מכשיר מעקב פסיבי של זרימה נוזלים השפעול. השיטה מורכבת הראשון הזרקת הפלורסנט ישירות לתוך צינור מלא עם מים מזוקקים, ומאפשרת לפזר על פני חתך הרוחב של הצינור כדי להשיג תנאי ראשוני מבוזרות בצורה אחידה. לאחר תקופה זו, זרימה שכבתית מופעל עם משאבה מזרק לתכנות לבחון את התחרות של advection ו דיפוזיית מעקב דרך הצינור. Asymmetries בהפצה מעקב נלמדים, מוצגים מתאמים בין צינור חתך הרוחב ואת צורת ההתפלגות: דק ערוצי (יחס גובה-רוחב << 1) לייצר המשדרים המגיעים עם חזיתות חדה ו מתחדדת (זנבות מוטה לפנים הפצות), ואילו ערוצי עבה (יחס הגובה-רוחב ~ 1) להציג את אופן הפעולה ההפוכה (הפצות לאחור). ההליך ניסיוני חלה על צינורות קפילר של גיאומטריות שונות והיא רלוונטי במיוחד ליישומי microfluidic לפי דמיון דינמיות.

הגדרת הניסוי לאחר ההרכבה מוצג באיור1. תמונות שמפיקים ב- MATLAB הצג המידע מהניסוי מעל התפתחות מעובד עקומת ריכוז (איור 2) עבור שלוש פעמים-ממדי. אימתנו כי קיים קשר ליניארי בין עוצמת וריכוז של המעקב. הצורה של השינויים הפצה ככל שחולף הזמן, בולוס לצבוע את נעה במורד הזרם. איור 2 מציג את האבולוציה כזה במקרה של הגיאומטריה צינור דק מלבני. ההתפלגות לצבוע הראשונית היא סימטרית וצר (דמוי-Gaussian ביחס לכיוון האורך, כמעט אחיד חתך הרוחב, איור 2 שמאל), אך הסימטריה שבורה כמעט מיד כמו מתחיל לזרום הרקע. ההתפלגות שוברת סימטריה על-ידי הצגת חזית חדה ולאחר זמן מתחדדת זנבות (איור 2, האמצעי וימינה).
תוצאות הניסוי מאושרות על ידי סימולציות מונטה קרלו לבצע התאמה ראשונית הפצה וזרימה הקצב (איור 3). ערך מצויד עבור κ diffusivity צבען היה נחוש בניסוי עצמאי (שלב 2.4 בפרוטוקול), המשמשים השוואה זו. בשיטות מונטה קרלו משמשים לעתים קרובות כדי לדמות את האבולוציה של דיפוזיה advection בעיות הקשורות לסימולציה התנאים גבול (הומוגנית נוימן, במקרה זה) יכול להיות פשוט קלט כמו ביליארד כמו השתקפות כללים. הגישה היא מדגם מימושים של משוואה דיפרנציאלית המקביל סטוכסטי שבבסיס המשוואה דיפוזיה advection בצורה nondimensional:
<img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/57205/57205eq1v2.jpg">
איפה T(x,y,z,t) ההתפלגות tracer, τ זה הזמן nondimensional מנורמל מאת td, x הוא הקואורדינטה המרחבי האורך, y הוא הקואורדינטה רוחבי קצר, z הוא הקואורדינטה זמן רוחבי, כל מנורמלת על-ידי הצד הקצר. U(y,z) זרימת הנוזלים הוא הפתרון מצב יציב למינריות משוואות נאוויה-סטוקס עם תנאי גבול לא מחליק (אין זרימת אל הקיר), מונע על ידי מעבר הדרגתי לחץ שלילי. ניתן לקבל נתונים ראשוני גאוסיאנית בכיוון האורך צינור עם שונות הרצויה בהתחשב רק דיפוזיה (Pe = 0) ומתפתח החלקיקים במשך הזמן המבוקש להתאים את הרוחב של הנתונים ההתחלתיים ניסיוני9,10 . התוצאות נציג התקבלו באמצעות קצב זרימת הערכים שצוינו בפרוטוקול, אולם אנו מצפים התופעות הטעינה נצפתה להחזיק באופן כללי על המשטר למינריות10 (איור 3).
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57205/57205fig1.jpg"> איור 1 : הגדרת הניסוי. (א) תרשים של ההתקנה ניסיוני. איור זה השתנה מ Aminianet al. 10. המצגת (B) של ההתקנה בפועל. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57205/57205fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57205/57205fig2.jpg"> איור 2 : תמונות של נתונים מעובדים בזמנים שונים- שורה עליונה: צילום של ריכוז לצבוע ליישב לאורך חתך הרוחב של הצינור נצפו בדרך כלל לכיוון חתך זמן בהגברת פעמים-ממדי. הציר האנכי גודלו פי 5 מובהר. למטה: עוצמת הריכוז לצבוע שחושב סיכום לאורך זמן חתך לכיוון. הערך השיא הוא מנורמל. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57205/57205fig2large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/57205/57205fig3.jpg"> איור 3 : השוואה של ההתפלגות ריכוז בין סימולציות מונטה קרלו ניסויים. האבולוציה של ריכוז לצבוע cross-sectionally בממוצע לאורך הצינור האורך שמוצג ב משני הרגעים בזמן: τ = 0.15 ו τ = 0.30. קווים מקווקווים הן התוצאות סימולציה, ואילו הקווים מוצק מייצגים את נתוני הניסוי. העליון: השוואה בערוץ סמיך (מרובע); למטה: השוואה בערוץ (מלבני) דק. האזור תחת כל עקומה היא מנורמל אחד ו- x = 0 מתאים למרכז התקע הראשונית של צבע. איור זה השתנה מ Aminianet al. 10. <a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57205/57205fig3large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של הדמות הזאת.</a>
הקבצים המשלימים 1 . כולל שרטוטי CAD של 3מחבר משושה D (<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57205/hex_connector_3D.STL" target="_blank">hex_connector_3D.STL</a>)
הקבצים המשלימים 2 . כולל שרטוטי CAD של פוסט מזרק תלת-ממד (<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57205/injector_post_3D.STL" target="_blank">injector_post_3D.STL</a>)
הקבצים המשלימים 3 . כולל שרטוטי CAD של תלת-ממד מאגר (<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57205/reservoir_3D.STL" target="_blank">reservoir_3D.STL</a>)
הקבצים המשלימים 4 . כולל שרטוטי CAD של 3D צלחות צינור עבה (<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57205/plate_thick_3D.STL" target="_blank">plate_thick_3D.STL</a>)
הקבצים המשלימים 5 . כולל שרטוטי CAD של 3D צלחות צינור דק (<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/57205/plate_thin_3D.STL" target="_blank">plate_thin_3D.STL</a>)

Watch this Scientific Journal Video about The Diffusion of Passive Tracers in Laminar Shear Flow at JoVE.com

The Diffusion of Passive Tracers in Laminar Shear Flow

פרוטוקול לחקר פעפוע של המשדרים פסיבית ב מונחה לחץ זרימה מוצג. הנוהל חל גיאומטריות צינור קפילרי שונים.

פעפוע של המשדרים פסיבי בזרימת הטיה למינריות

A simple method to experimentally observe and measure the dispersion of a passive tracer in a laminar fluid flow is described. The method consists of ...

the-diffusion-of-passive-tracers-in-laminar-shear-flow

Nanyang Technological University

Education

Research

JoVE Core

JoVE Journal

Engineering

Mechanical Engineering

Anatomy and Physiology

Civil Engineering

Unit 1

Cell Membrane Structure and Functions

Shearing Stresses in Beams and Thin-Walled Members

Open Channel Flow

SCIENTISTS IN ACTION

8.4K Views.  University of North Carolina at Chapel Hill. פרוטוקול לחקר פעפוע של המשדרים פסיבית ב מונחה לחץ זרימה מוצג. הנוהל חל גיאומטריות צינור קפילרי שונים.

Video: The Diffusion of Passive Tracers in Laminar Shear Flow

Confocal Imaging of Confined Quiescent and Flowing Colloid-polymer Mixtures

The behavior of confined colloidal suspensions with attractive interparticle interactions is critical to the rational design of materials for directed assembly1-3, drug delivery4, improved hydrocarbon recovery5-7, and flowable electrodes for energy storage8. Suspensions containing fluorescent colloids and non-adsorbing polymers are appealing model systems, as the ratio of the polymer radius of gyration to the particle radius&#160;and concentration of polymer control the range and strength of the interparticle attraction, respectively. By tuning the polymer properties and the volume fraction of the colloids, colloid fluids, fluids of clusters, gels, crystals, and glasses can be obtained9.&#160;Confocal microscopy, a variant of fluorescence microscopy, allows an optically transparent and fluorescent sample to be imaged with high spatial and temporal resolution in three dimensions. In this technique, a small pinhole or slit blocks the emitted fluorescent light from regions of the sample that are outside the focal volume of the microscope optical system. As a result, only a thin section of the sample in the focal plane is imaged. This technique is particularly well suited to probe the structure and dynamics in dense colloidal suspensions at the single-particle scale: the particles are large enough to be resolved using visible light and diffuse slowly enough to be captured at typical scan speeds of commercial confocal systems10. Improvements in scan speeds and analysis algorithms have also enabled quantitative confocal imaging of flowing suspensions11-16,37.&#160;In this paper, we demonstrate confocal microscopy experiments to probe the confined phase behavior and flow properties of colloid-polymer mixtures. We first prepare colloid-polymer mixtures that are density- and refractive-index matched. Next, we report a standard protocol for imaging quiescent dense colloid-polymer mixtures under varying confinement in thin wedge-shaped cells. Finally, we demonstrate a protocol for imaging colloid-polymer mixtures during microchannel flow.

Confocal microscopy is used to image quiescent and flowing colloid-polymer mixtures, which are studied as model systems for attractive suspensions. Image analysis algorithms are used to calculate structural and dynamic metrics for the colloidal particles that measure changes due to geometric confinement.

ההדמיה confocal של רגיעה מרותקת ותערובות קולואיד פולימר מזרימים

The behavior of confined colloidal suspensions with attractive interparticle interactions is critical to the rational design of materials for directed ...

Chemistry

Parallel-plate Flow Chamber and Continuous Flow Circuit to Evaluate Endothelial Progenitor Cells under Laminar Flow Shear Stress

The overall goal of this method is to describe a technique to subject adherent cells to laminar flow conditions and evaluate their response to well quantifiable fluid shear stresses1.
Our flow chamber design and flow circuit (Fig. 1) contains a transparent viewing region that enables testing of cell adhesion and imaging of cell morphology immediately before flow (Fig. 11A, B), at various time points during flow (Fig. 11C), and after flow (Fig. 11D). These experiments are illustrated with human umbilical cord blood-derived endothelial progenitor cells (EPCs) and porcine EPCs2,3.
This method is also applicable to other adherent cell types, e.g. smooth muscle cells (SMCs) or fibroblasts.
The chamber and all parts of the circuit are easily sterilized with steam autoclaving. In contrast to other chambers, e.g. microfluidic chambers, large numbers of cells (&gt; 1 million depending on cell size) can be recovered after the flow experiment under sterile conditions for cell culture or other experiments, e.g. DNA or RNA extraction, or immunohistochemistry (Fig. 11E), or scanning electron microscopy5. The shear stress can be adjusted by varying the flow rate of the perfusate, the fluid viscosity, or the channel height and width. The latter can reduce fluid volume or cell needs while ensuring that one-dimensional flow is maintained. It is not necessary to measure chamber height between experiments, since the chamber height does not depend on the use of gaskets, which greatly increases the ease of multiple experiments. Furthermore, the circuit design easily enables the collection of perfusate samples for analysis and/or quantification of metabolites secreted by cells under fluid shear stress exposure, e.g. nitric oxide (Fig. 12)6.

We are describing a method to subject adherent cells to laminar flow shear stress in a sterile continuous flow circuit. The cells' adhesion, morphology can be studied through the transparent chamber, samples obtained from the circuit for metabolite analysis and cells harvested after shear exposure for future experiments or culture.

במקביל, צלחת תזרים לשכת ואת מעגל זרימה רציפה להערכת ובתאים אנדותל תחת מתח זרימה למינרית שאר

The overall goal of this method is to describe a technique to subject adherent cells to laminar flow conditions and evaluate their response to well ...

Bioengineering

In Situ Monitoring of Diffusion of Guest Molecules in Porous Media Using Electron Paramagnetic Resonance Imaging

A method is demonstrated to monitor macroscopic translational diffusion using electron paramagnetic resonance (EPR) imaging. A host-guest system with nitroxide spin probe 3-(2-Iodoacetamido)-2,2,5,5-tetramethyl-1-pyrrolidinyloxy (IPSL) as a guest inside the periodic mesoporous organosilica (PMO) aerogel UKON1-GEL as a host and ethanol as a solvent is used as an example to describe the protocol. Data is shown from a previous publication, where the protocol has been applied to both IPSL and Tris(8-carboxy-2,2,6,6-perdeutero-tetramethyl-benzo[1,2-d:4,5-d&#8242;]bis(1,3)dithiole) methyl (Trityl) as guest molecules and UKON1-GEL and SILICA-GEL as host systems. 
A method is shown to prepare aerogel samples that cannot be synthesized directly in the sample tube for measurement due to a size change during synthesis. The aerogel is attached to sample tubes using heat shrink tubing and a pressure cooker to reach the necessary temperature without evaporating the solvent in the process. The method does not assume a clearly defined initial distribution of guest molecules at the start of the measurement. Instead, it requires a reservoir on top of the aerogel and experimentally determines the influx rate during data analysis.
The diffusion is monitored continually over a period of 20 hr by recording the 1d spin density profile within the sample. The spectrometer settings for the imaging experiment are described quantitatively. Data analysis software is provided to take the resonator sensitivity profile into account and to numerically solve the diffusion equation. The software determines the macroscopic translational diffusion coefficient by least square minimization of the difference between the experiment and the numerical solution of the diffusion equation.

In Situ Monitoring of Diffusion of Guest Molecules in Porous Media Using Electron Paramagnetic Resonance Imaging

A protocol for the in situ monitoring of the diffusion of guest molecules in porous media using electron paramagnetic resonance (EPR) imaging is presented.

ניטור באתרו של דיפוזיה של מולקולות צימרים נקבוביות מדיה באמצעות הדמית תהודה מגנטית אלקטרונית

A method is demonstrated to monitor macroscopic translational diffusion using electron paramagnetic resonance (EPR) imaging. A host-guest system with ...

Visually Based Characterization of the Incipient Particle Motion in Regular Substrates: From Laminar to Turbulent Conditions

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to turbulent flow conditions are presented. For that purpose, the incipient motion of a single bead is studied on regular substrates that consist of a monolayer of fixed spheres of uniform size that are regularly arranged in triangular and quadratic symmetries. The threshold is characterized by the critical Shields number. The criterion for the onset of motion is defined as the displacement from the original equilibrium position to the neighboring one. The displacement and the mode of motion are identified with an imaging system. The laminar flow is induced using a rotational rheometer with a parallel disk configuration. The shear Reynolds number remains below 1. The turbulent flow is induced in a low-speed wind tunnel with open jet test section. The air velocity is regulated with a frequency converter on the blower fan. The velocity profile is measured with a hot wire probe connected to a hot film anemometer. The shear Reynolds number ranges between 40 and 150. The logarithmic velocity law and the modified wall law presented by Rotta are used to infer the shear velocity from the experimental data. The latter is of special interest when the mobile bead is partially exposed to the turbulent flow in the so-called hydraulically transitional flow regime. The shear stress is estimated at onset of motion. Some illustrative results showing the strong impact of the angle of repose, and the exposure of the bead to shear flow are represented in both regimes.

Two different methods for characterizing the incipient particle motion of a single bead as a function of the sediment bed geometry from laminar to turbulent flow are presented.

באופן חזותי המבוסס על אפיון חלקיק התחלתית של סובסטרטים רגיל: מלמינריות לתנאים הסוערת

Two different experimental methods for determining the threshold of particle motion as a function of geometrical properties of the bed from laminar to ...

A Permanent Window for Investigating Cancer Metastasis to the Lung

Metastasis, accounting for ~90% of cancer-related mortality, involves the systemic spread of cancer cells from primary tumors to secondary sites such as the bone, brain, and lung. Although extensively studied, the mechanistic details of this process remain poorly understood. While common imaging modalities, including computed tomography (CT), positron emission tomography (PET), and magnetic resonance imaging (MRI), offer varying degrees of gross visualization, each lacks the temporal and spatial resolution necessary to detect the dynamics of individual tumor cells. To address this, numerous techniques have been described for intravital imaging of common metastatic sites. Of these sites, the lung has proven especially challenging to access for intravital imaging owing to its delicacy and critical role in sustaining life. Although several approaches have previously been described for single-cell intravital imaging of the intact lung, all involve highly invasive and terminal procedures, limiting the maximum possible imaging duration to 6-12 h. Described here is an improved technique for the permanent implantation of a minimally invasive thoracic optical Window for High-Resolution Imaging of the Lung (WHRIL). Combined with an adapted approach to microcartography, the innovative optical window facilitates serial intravital imaging of the intact lung at single-cell resolution across multiple imaging sessions and spanning multiple weeks. Given the unprecedented duration of time over which imaging data can be gathered, the WHRIL can facilitate the accelerated discovery of the dynamic mechanisms underlying metastatic progression and numerous additional biologic processes within the lung.

Here, we present a protocol for the surgical implantation of a permanently indwelling optical window for the murine thorax, which enables high-resolution, intravital imaging of the lung. The permanence of the window makes it well-suited to the study of dynamic cellular processes in the lung, especially those that are slowly evolving, such as metastatic progression of disseminated tumor cells.

חלון קבוע לחקירת גרורות סרטן לריאה

Metastasis, accounting for ~90% of cancer-related mortality, involves the systemic spread of cancer cells from primary tumors to secondary sites such as ...

Cancer Research

Analyzing Mixing Inhomogeneity in a Microfluidic Device by Microscale Schlieren Technique

In this paper, we introduce the use of microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. The microscale schlieren system is constructed from a Hoffman modulation contrast microscope, which provides easy access to the rear focal plane of the objective lens, by removing the slit plate and replacing the modulator with a knife-edge. The working principle of microscale schlieren technique relies on detecting light deflection caused by variation of refractive index1-3. The deflected light either escapes or is obstructed by the knife-edge to produce a bright or a dark band, respectively. If the refractive index of the mixture varies linearly with its composition, the local change in light intensity in the image plane is proportional to the concentration gradient normal to the optical axis. The micro-schlieren image gives a two-dimensional projection of the disturbed light produced by three-dimensional inhomogeneity.
To accomplish quantitative analysis, we describe a calibration procedure that mixes two fluids in a T-microchannel. We carry out a numerical simulation to obtain the concentration gradient in the T-microchannel that correlates closely with the corresponding micro-schlieren image. By comparison, a relationship between the grayscale readouts of the micro-schlieren image and the concentration gradients presented in a microfluidic device is established. Using this relationship, we are able to analyze the mixing inhomogeneity from associate micro-schlieren image and demonstrate the capability of microscale schlieren technique with measurements in a microfluidic oscillator4. For optically transparent fluids, microscale schlieren technique is an attractive diagnostic tool to provide instantaneous full-field information that retains the three-dimensional features of the mixing process.

Herein, we describe a procedure that employs microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. Through calibration, distribution of concentration gradient can be derived from the micro-schlieren image.

ניתוח inhomogeneity ערבוב במכשיר microfluidic על ידי טכניקת microscale Schlieren

In this paper, we introduce the use of microscale schlieren technique to measure mixing inhomogeneity in a microfluidic device. The microscale schlieren ...

Fluorescence Recovery after Merging a Droplet to Measure the Two-dimensional Diffusion of a Phospholipid Monolayer

We introduce a new method to measure the lateral diffusivity of a surfactant monolayer at the fluid-fluid interface, called fluorescence recovery after merging (FRAM). FRAM adopts the same principles as the fluorescence recovery after photobleaching (FRAP) technique, especially for measuring fluorescence recovery after bleaching a specific area, but FRAM uses a drop coalescence instead of photobleaching dye molecules to induce a chemical potential gradient of dye molecules. Our technique has several advantages over FRAP: it only requires a fluorescence microscope rather than a confocal microscope equipped with high power lasers; it is essentially free from the selection of fluorescence dyes; and it has far more freedom to define the measured diffusion area. Furthermore, FRAM potentially provides a route for studying the mixing or inter-diffusion of two different surfactants, when the monolayers at a surface of droplet and at a flat air/water interface are prepared with different species, independently.

We present a new technique to measure the lateral diffusion of a surface active species at the fluid-fluid interface by merging a droplet monolayer onto a flat monolayer.

שחזור הקרינה לאחר מיזוג אגל למדוד דיפוזיה דו ממדים של חד שכבתי פוספוליפידים

We introduce a new method to measure the lateral diffusivity of a surfactant monolayer at the fluid-fluid interface, called fluorescence recovery after ...

Controlling Flow Speeds of Microtubule-Based 3D Active Fluids Using Temperature

We present a method for using temperature to tune the flow speeds of kinesin-driven, microtubule-based three-dimensional (3D) active fluids. This method allows for tuning the speeds in situ without the need to manufacture new samples to reach different desired speeds. Moreover, this method enables the dynamic control of speed. Cycling the temperature leads the fluids to flow fast and slow, periodically. This controllability is based on the Arrhenius characteristic of the kinesin-microtubule reaction, demonstrating a controlled mean flow speed range of 4&#8211;8 &#181;m/s. The presented method will open the door to the design of microfluidic devices where the flow rates in the channel are locally tunable without the need for a valve.

The goal of this protocol is to use temperature to control the flow speeds of three-dimensional active fluids. The advantage of this method not only allows for regulating flow speeds in situ but also enables dynamic control, such as periodically tuning flow speeds up and down.

שליטה במהירויות זרימה של נוזלים פעילים תלת-ממדיים מבוססי מיקרוכדורית באמצעות טמפרטורה

We present a method for using temperature to tune the flow speeds of kinesin-driven, microtubule-based three-dimensional (3D) active fluids. This method ...

Quantifying Mixing using Magnetic Resonance Imaging

Mixing is a unit operation that combines two or more components into a homogeneous mixture. This work involves mixing two viscous liquid streams using an in-line static mixer. The mixer is a split-and-recombine design that employs shear and extensional flow to increase the interfacial contact between the components. A prototype split-and-recombine (SAR) mixer was constructed by aligning a series of thin laser-cut Poly (methyl methacrylate) (PMMA) plates held in place in a PVC pipe. Mixing in this device is illustrated in the photograph in Fig. 1. Red dye was added to a portion of the test fluid and used as the minor component being mixed into the major (undyed) component. At the inlet of the mixer, the injected layer of tracer fluid is split into two layers as it flows through the mixing section. On each subsequent mixing section, the number of horizontal layers is duplicated. Ultimately, the single stream of dye is uniformly dispersed throughout the cross section of the device.
 Using a non-Newtonian test fluid of 0.2% Carbopol and a doped tracer fluid of similar composition, mixing in the unit is visualized using magnetic resonance imaging (MRI). MRI is a very powerful experimental probe of molecular chemical and physical environment as well as sample structure on the length scales from microns to centimeters. This sensitivity has resulted in broad application of these techniques to characterize physical, chemical and/or biological properties of materials ranging from humans to foods to porous media 1, 2. The equipment and conditions used here are suitable for imaging liquids containing substantial amounts of NMR mobile 1H such as ordinary water and organic liquids including oils. Traditionally MRI has utilized super conducting magnets which are not suitable for industrial environments and not portable within a laboratory (Fig. 2). Recent advances in magnet technology have permitted the construction of large volume industrially compatible magnets suitable for imaging process flows. Here, MRI provides spatially resolved component concentrations at different axial locations during the mixing process. This work documents real-time mixing of highly viscous fluids via distributive mixing with an application to personal care products.

Magnetic resonance imaging (MRI) provides a powerful tool to evaluate the effectiveness of process equipment during operation. We discuss the use of MRI to visualize mixing in a static mixer. The application is relevant to personal care products, but can be applied to a broad range of food, chemical, biomass and biological fluids.

כימות ערבוב באמצעות תהודה מגנטית

Mixing is a unit operation that combines two or more components into a homogeneous mixture.  This work involves mixing two viscous liquid streams using an ...

Biology

Surface Dye Flow Visualization: A Qualitative Method to Observe Streakline Patterns in Supersonic Flow

Flow visualization around or on a body is an important tool in aerodynamics research. It provides a method to qualitatively and quantitatively study flow structure, and it also helps researchers theorize and verify fluid flow behavior. Flow visualization can be divided into two categories: off-the-surface visualization and surface flow visualization. Off-the-surface flow visualization techniques involve determining the flow characteristics around the body of interest. They include but are not restricted to particle image velocimetry (PIV), Schlieren imaging, and smoke flow visualization. These techniques can provide qualitative as well as quantitative data on the flow around a body. However, these techniques are generally expensive and difficult to set-up. Surface flow visualization techniques, on the other hand, involve coating the body of interest with a dye to study flow on the surface. These techniques, which are more invasive in practice, include dye flow visualization and, more recently, use pressure-sensitive paint, which gives a detailed image of the flow on the body&#39;s surface. This allows researchers to visualize different flow features, including laminar bubbles, boundary layer transitions, and flow separation. Dye flow visualization, the technique of interest in the current experiment, provides a qualitative picture of the surface flow and is one of the simplest and most cost-effective surface flow visualization methods, specifically for visualizing gaseous flows on a body.
In this experiment, the surface flow behavior on six bodies are studied in supersonic flow. The streakline patterns are obtained using the dye flow visualization technique, and the flow paths, degree of flow attachment and separation, and location and type of shocks are identified and studied from the flow images.

Surface Dye Flow: Streakline Patterns in Supersonic Flow

הדמיה של זרימת צבע פני השטח: שיטה איכותית להתבוננות בדפוסי סטריקלין בזרימה על-קולית

Flow visualization around or on a body is an important tool in aerodynamics research. It provides a method to qualitatively and quantitatively study flow ...