Evolution study of laser-induced thermocapillary flows for manipulation of micro-objects
Johan E. Quispe y Emir Vela
Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad de Ingeniería y tecnología – UTEC, Jr. Medrano Silva esquina con Av. Miguel Grau, Barranco
DOI: https://doi.org/10.33017/RevECIPeru2015.0002/
Resumen
En la actualidad, la micromanipulación ha adquirido un papel importante en el ensamblaje de microcomponentes electromecánicos, ya que hace posible manipular objetos a escala micrométrica de diferentes propiedades y formas geométricas para posteriormente realizar un ensamblado y así crear sistemas cada vez más multifuncionales. Igualmente, el campo de la medicina ha alcanzado grandes avances ya que la micromanipulación nos permite manipular células, moléculas y bio-partículas en general, para realizar estudios más profundos en lo que respecta al comportamiento de éstas. Así, se requiere de un método de micromanipulación que sea capaz de desplazar micro-objetos biológicos como componentes de una manera rápida, precisa y múltiple que permita un estudio o producción a gran escala. Los métodos preferidos a la escala micrométrica son los métodos de manipulación sin contacto, ya que éstos permiten la manipulación sin dañar y contaminar las muestras u objetos. Dentro de éstos, la utilización de microfluidos para desplazar objetos es de gran interés en la comunidad científica ya que los fluidos permiten arrastrar a los objetos según la dirección y velocidad del fluido, lo que produce una fuerza que desplaza a los micro-objetos. En este trabajo de investigación se presenta un estudio, a través de simulaciones, de la generación de flujos termocapilares en películas delgadas de un líquido como método de manipulación sin contacto. Este método se está volviendo una opción viable para desplazar objetos a esta escala debido a su alta dinámica que permite desplazar objetos a gran velocidad, y además utilizando un bajo consumo de energía para su generación. Este método consiste en establecer un pequeño gradiente de temperatura en la interface líquido-aire de una película delgada, el cual genera flujos toroidales, centrados en el foco caliente, que hacen posible el desplazamiento de los objetos en el interior del fluido, a través de una fuerza de arrastre que se establece. Este estudio nos permitió comprender cómo es la evolución temporal del flujo y cómo poder generarlos de manera controlada para lograr estrategias de manipulación eficientes y precisas. Se obtuvieron valores de velocidad del flujo del orden de para un haz laser infrarojo que genera aproximadamente 80 mW sobre la muestra. Además, existe una distancia radial con respecto al foco caliente donde sería más conveniente ubicar los objetos para manipularlos debido al perfil de velocidades que se establecen. También se demostró a través de las simulaciones que es posible establecer un tamaño de espesor de fluido para manipular objetos de un determinado tamaño.
Descriptores: micromanipulación, flujo termocapilar, tensión superficial
Abstract
Nowadays, micromanipulation has an important role for assembly of micro-electromechanical components, because it enables to assemble very small components with different material properties and geometrical shapes in order to create complex multifunctional systems. Also, micromanipulation has contributed significantly in the field of medicine enabling manipulation of cells, molecules and bio-particles to study their behavior. Thus, a micromanipulation method that could move biological objects and microcomponents in an accurate, fast and multiple manner is needed. The preferred methods in the microscale are non-contact methods because they allow manipulating objects without damage or contamination. In this scope, microflows are very good candidates to drag micro-objects according to the flows direction and velocity, producing a drag force over the objects. In this research work, a study, through multiphysics simulations, on the thermocapillary flows generation within thin liquid layers is presented as a non-contact manipulation method. The high flows dynamics can move objects at high speed. This method consists of imaparting a very small temperature gradient at the liquid-air interface of a thin liquid layer, thus generating toroidal-shaped flows centered at the hot spot. So the objects inside the flows are dragged. This study allowed us to understand the temporal evolution of flows and how they could be generated in a controlled manner. Besides, it exists a radial distance with respect to the hot spot where is most suitable to place the objects to manipulate them at high speed due to the velocity profile. Flows speeds in the order of were obtained using an infrared laser of about 80 mW. Simulations results showed that it is possible to establish a liquid depth in order to manipulate objects with specific sizes. As a result, manipulation strategies are being carried out to accurately move objects at high speeds.
Keywords: micromanipulation, thermocapillary flows, surface tension.