Optimization Design and Mixing Performance of a Square-Chamber Micromixer with Y-Shaped Inlet

في عالم ديناميكيات السوائل المجهري، حيث تكون القنوات أرق من شعرة الإنسان، تتغير قواعد التدفق بشكل جذري. في تجربتنا اليومية، يندفع الماء من الصنبور في دوامات وتلاطم، وهو رقص فوضوي من الاضطراب الذي يمزج المكونات بشكل فوري تقريبًا. ولكن داخل الأنابيب الدقيقة لشريحة الموائع الدقيقة (microfluidic chip)، المستخدمة في كل شيء من الاختبارات الطبية السريعة إلى التخليق الكيميائي، يتحرك السائل في طبقات متوازية ومثالية. تُعرف هذه الحالة السلسة والمنظمة باسم التدفق الطبقي (laminar flow). ولأن القنوات ضيقة للغاية، يتحرك السائل ببطء شديد يمنعه من خلق الدوامات التي تساعد عادةً على المزج. بدلاً من ذلك، فإن الطريقة الوحيدة لامتزاج سائلين مختلفين هي عبر الانتشار الجزيئي، وهي عملية تنجرف فيها الجسيمات ببطء من المناطق ذات التركيز العالي إلى المناطق ذات التركيز المنخفض. وبدون مساعدة، يكون هذا الانجراف بطيئًا للغاية، وغالبًا ما يتطلب أن يقطع السائل مسارًا طويلاً جدًا لدرجة تجعل الغرض من امتلاك جهاز صغير وسريع أمرًا غير مجدٍ. لقد سعى العلماء طويلاً لإيجاد طريقة تجبر هذه الطبقات المنظمة على التشابك والطي دون الحاجة إلى طاقة خارجية، بهدف ابتكار خلاط سلبي يعمل ببساطة من خلال شكله.

اقترح فريق من الباحثين تصميمًا جديدًا لحل هذه المشكلة: خلاط مجهري مبني حول غرفة مربعة بمدخل فريد على شكل حرف Y. تخيل تدفقين من السائل يدخلان هذه الغرفة المربعة ليس من جانبين متقابلين، بل من اتجاهات متعامدة، مثل طريقين يلتقيان عند زاوية قائمة. يجبر نقطة الدخول المحددة هذه السوائل على التصادم وتوليد دفعة جانبية، مما يخلق سرعة عرضية تبدأ فورًا في تمديد الواجهة بين السائلين. ولجعل هذا التمدد أكثر فعالية، وضع الباحثون عوائق داخل القناة الرئيسية التي تسلكها السوائل. ومن خلال محاكاة تدفق هذه السوائل على جهاز الكمبيوتر، اختبروا كيف أثرت الأشكال والأحجام المختلفة لهذه العوائق، بالإضافة إلى سرعات السائل الداخل، على المزيج النهائي.

بدأت الدراسة باختبار أربعة أشكال مختلفة للعوائق: المستطيلات، والمربعات، والحلزونات، والأقواس. وأظهرت النتائج أن شكل الحاجز يمثل أهمية هائلة. فالعائق المربع، بزواياه الحادة، خلق منطقة راكدة وهادئة خلفه حيث بالكاد تتحرك السوائل، مما أدى إلى مزج ضعيف. أما الشكل الحلزوني فقد قام بليّ السوائل، لكنه ترك وراءه بعض البقع غير المتساوية. ومع ذلك، ثبت أن العائق ذو الشكل القوسي هو الأكثر فعالية؛ إذ يقوم سطحه المنحني والناعم بتوجيه السائل حوله دون خلق مناطق ميتة، مما يؤدي باستمرار إلى ضغط وتوسيع التدفق لتمديد وطوي واجهة السائل بشكل شامل. خلق هذا الشكل المزيج الأكثر تجانسًا عند المخرج، مما أثبت أن المنحنى اللطيف يتفوق بمراحل على الزوايا الحادة أو الحلزونات المعقدة في هذه البيئة المحددة.

بمجرد اختيار الشكل القوسي، استقصى الباحثون كيف يؤثر ارتفاع العائق على النتيجة. فقد اختبروا ارتفاعات تتراوح من 0.65 مليمتر إلى 0.95 مليمتر. عندما كان العائق قصيرًا جدًا، عند 0.65 مليمتر، كان ضعيفًا للغاية بحيث لا يستطيع إزعاج التدفق بشكل كبير، وظلت السوائل منفصلة إلى حد كبير في طبقات متميزة. ومع زيادة الارتفاع، أصبح التأثير التوجيهي أقوى، مما أجبر السوائل على الانحناء والتشابك بقوة أكبر. وكشفت عمليات المحاكاة أن ارتفاع العائق البالغ 0.95 مليمتر حقق أفضل النتائج؛ فعند هذا البعد المحدد، خضع السائل لدورة مثالية من التقارب والتباعد، مما ضمن تمدد سطح التلامس بين السائلين وإعادة دمجهما قدر الإمكان، دون ترك أي تدرجات مرئية في المزيج النهائي.

كانت القطعة الأخيرة من اللغز هي السرعة التي تدخل بها السوائل إلى الجهاز. اختبر الفريق سرعات الدخول من 0.01 متر في الثانية حتى 0.20 متر في الثانية. عند السرعة البطيئة جدًا البالغة 0.01 متر في الثانية، كان التدفق لطيفًا للغاية، واعتمدت السوائل بالكامل تقريبًا على الانتشار البطيء، مما أدى إلى مزيج ضعيف. ومع زيادة السرعة إلى 0.15 متر في الثانية، عملت قوى القصور الذاتي للسائل المتحرك في تناغم مع العوائق، مما أدى إلى تمزيق وطوي الواجهة بفعالية. ومع ذلك، إذا ارتفعت السرعة كثيرًا لتصل إلى 0.20 متر في الثانية، فإن السوائل تمر عبر الغرفة بسرعة كبيرة بحيث لا تملك الوقت الكافي للمزج قبل الخروج. وقد وُجد التوازن الأمثل عند 0.15 متر في الثانية، حيث كان التدفق سريعًا بما يكفي لخلق حركة فوضوية، وبطيئًا بما يكفي للسماح لعملية المزج بالاكتمال.

تشير النتائج إلى أن الخلاط ذو الغرفة المربعة ومدخل Y والعوائق القوسية يوفر حلاً سلبيًا عالي الكفاءة لمزج السوائل في الأنظمة المجهرية. ومن خلال ضبط ارتفاع العائق بعناية عند 0.95 مليمتر والحفاظ على سرعة دخول تبلغ 0.15 متر في الثانية، يحقق الجهاز درجة عالية من تجانس المزج مع مقاومة منخفضة للتدفق. لا يتطلب هذا التصميم مصادر طاقة خارجية أو أجزاء متحركة معقدة، بل يعتمد بدلاً من ذلك على هندسة القناة وفيزياء التدفق نفسها. وبالنسبة للباحثين الذين يطورون أنظمة تحليل مصغرة، يوفر هذا النهج طريقة موثوقة للتغلب على قيود الانتشار البطيء، مما يتيح تفاعلات كيميائية وعمليات كشف بيولوجية أسرع وأكثر كفاءة.