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

द्रव गतिशीलता (fluid dynamics) की सूक्ष्म दुनिया में, जहाँ चैनल मानव बाल से भी पतले होते हैं, प्रवाह के नियम नाटकीय रूप से बदल जाते हैं। हमारे रोजमर्रा के अनुभव में, नल से बहता पानी घूमता और उथल-पुथल करता है, जो मिश्रण के लिए एक अराजक विक्षोभ (turbulence) पैदा करता है। लेकिन माइक्रोफ्लुइडिक चिप के नन्हे ट्यूबों के भीतर, जिसका उपयोग तीव्र चिकित्सा परीक्षणों से लेकर रासायनिक संश्लेषण तक सब कुछ करने के लिए किया जाता है, तरल पूरी तरह से समानांतर परतों में चलता है। इस सुचारू, व्यवस्थित अवस्था को लैमिनार फ्लो (laminar flow) के रूप में जाना जाता है। क्योंकि चैनल बहुत संकीखे होते हैं, तरल इतना धीमा चलता है कि वह उन भंवरों को पैदा नहीं कर पाता जो आमतौर पर चीजों को मिलाने में मदद करते हैं। इसके बजाय, दो अलग-अलग तरल पदार्थों के मिलने का एकमात्र तरीका आणविक विसरण (molecular diffusion) है, एक ऐसी प्रक्रिया जहाँ कण उच्च सांद्रता वाले क्षेत्रों से निम्न सांद्रता वाले क्षेत्रों की ओर धीरे-धीरे बहते हैं। बिना किसी सहायता के, यह बहाव अविश्वसनीय रूप से धीमा होता है, जिसके लिए अक्सर तरल को इतना लंबा रास्ता तय करना पड़ता है कि यह एक छोटे, तेज़ उपकरण के उद्देश्य को ही विफल कर देता है। वैज्ञानिक लंबे समय से इन व्यवस्थित परतों को बिना किसी बाहरी शक्ति के उलझाने और मोड़ने का तरीका खोजने की कोशिश कर रहे हैं, जिसका लक्ष्य एक ऐसा पैसिव मिक्सर (passive mixer) बनाना है जो केवल अपनी आकृति के आधार पर काम करे।

शोधकर्ताओं के एक दल ने इस समस्या को हल करने के लिए एक नया डिज़ाइन प्रस्तावित किया है: एक वर्गाकार कक्ष (square chamber) के इर्द-गिर्द बना एक माइक्रोमिक्सर जिसमें एक अनूठा Y-आकार का प्रवेश द्वार है। कल्पना कीजिए कि तरल की दो धाराएँ इस वर्गाकार कमरे में विपरीत दिशाओं से नहीं, बल्कि एक-दूसरे के लंबवत दिशाओं से प्रवेश करती हैं, जैसे दो सड़कें एक समकोण पर मिल रही हों। यह विशिष्ट प्रवेश बिंदु तरल पदार्थों को टकराने और एक पार्श्व धक्का (sideways push) उत्पन्न करने के लिए मजबूर करता है, जिससे एक अनुप्रस्थ वेग (transverse velocity) पैदा होता है जो तुरंत दोनों तरल पदार्थों के बीच के इंटरफेस को खींचना शुरू कर देता है। इस खिंचाव को और अधिक प्रभावी बनाने के लिए, शोधकर्ताओं ने मुख्य चैनल के भीतर बाधाएं रखीं जहाँ तरल पदार्थ यात्रा करते हैं। कंप्यूटर पर इन तरल पदार्थों के प्रवाह का अनुकरण (simulation) करके, उन्होंने परीक्षण किया कि इन बाधाओं के विभिन्न आकार और आकार, साथ ही आने वाले तरल की विभिन्न गति, अंतिम मिश्रण को कैसे प्रभावित करती है।

अध्ययन ने बाधाओं के लिए चार अलग-अलग आकारों का परीक्षण करके शुरुआत की: आयत, वर्ग, सर्पिल (spiral), और चाप (arc)। परिणामों ने दिखाया कि अवरोध का आकार अत्यधिक महत्वपूर्ण है। वर्ग आकार की बाधा, अपने नुकीले कोनों के साथ, अपने पीछे एक शांत, स्थिर क्षेत्र बनाती थी जहाँ तरल मुश्किल से हिलता था, जिससे खराब मिश्रण होता था। सर्पिल आकार ने तरल को घुमाया तो सही, लेकिन पीछे कुछ असमान हिस्से छोड़ दिए। हालाँकि, चाप-आकार (arc-shaped) की बाधा सबसे प्रभावी साबित हुई। इसकी चिकनी, घुमावदार सतह तरल को बिना किसी डेड ज़ोन (dead zone) के अपने चारों ओर निर्देशित करती है, और तरल इंटरफेस को पूरी तरह से खींचने और मोड़ने के लिए प्रवाह को लगातार संकुचित और विस्तारित करती है। इस आकार ने निकास पर सबसे समान मिश्रण बनाया, जिससे यह सिद्ध हुआ कि इस विशिष्ट वातावरण में एक सौम्य वक्र (curve), नुकीले कोणों या जटिल सर्पिलों की तुलना में कहीं अधिक श्रेष्ठ है।

एक बार जब चाप आकार का चयन कर लिया गया, तो शोधकर्ताओं ने जांच की कि बाधा की ऊँचाई परिणाम को कैसे प्रभावित करती है। उन्होंने 0.65 मिलीमीटर से 0.95 मिलीमीटर तक की ऊँचाइयों का परीक्षण किया। जब बाधा बहुत छोटी थी, यानी 0.65 मिलीमीटर, तो यह प्रवाह को महत्वपूर्ण रूप से बाधित करने के लिए बहुत कमजोर थी, और तरल पदार्थ काफी हद तक अलग-अलग परतों में ही रहे। जैसे-जैसे ऊँचाई बढ़ी, मार्गदर्शक प्रभाव मजबूत होता गया, जिससे तरल पदार्थ अधिक आक्रामक रूप से मुड़ने और आपस में गुंथने के लिए मजबूर हुआ। सिमुलेशन ने खुलासा किया कि 0.95 मिलीमीटर की बाधा ऊँचाई ने सर्वोत्तम परिणाम दिए। इस विशिष्ट आयाम पर, तरल पदार्थ अभिसरण (convergence) और पृथक्करण के एक पूर्ण चक्र से गुजरा, यह सुनिश्चित करते हुए कि दो तरल पदार्थों के बीच का संपर्क सतह यथासंभव खींची और पुनर्संयोजित की जाए, जिससे अंतिम मिश्रण में कोई दृश्य अंतर (gradient) न रहे।

पहेली का अंतिम हिस्सा वह गति थी जिस पर तरल पदार्थ उपकरण में प्रवेश करते थे। टीम ने 0.01 मीटर प्रति सेकंड से लेकर 0.20 मीटर प्रति सेकंड तक की इनलेट वेलोसिटी का परीक्षण किया। 0.01 मीटर प्रति सेकंड की बहुत धीमी गति पर, प्रवाह बहुत कोमल था, और तरल पदार्थ काफी हद तक धीमे विसरण पर निर्भर थे, जिसके परिणामस्वरूप खराब मिश्रण हुआ। जैसे-जैसे गति बढ़कर 0.15 मीटर प्रति सेकंड हुई, चलते हुए तरल के जड़त्व बल (inertial forces) बाधाओं के साथ सामंजस्य बिठाकर इंटरफेस को प्रभावी ढंग से फाड़ने और मोड़ने लगे। हालाँकि, यदि गति बहुत अधिक हो जाती, यानी 0.20 मीटर प्रति सेकंड तक पहुँच जाती, तो तरल पदार्थ कक्ष से इतनी तेज़ी से निकल जाते कि उन्हें बाहर निकलने से पहले मिश्रण के लिए पर्याप्त समय नहीं मिलता। इष्टतम संतुलन 0.15 मीटर प्रति सेकंड पर पाया गया, जहाँ प्रवाह इतना तेज़ था कि अराजक गति (chaotic motion) पैदा कर सके और इतना धीमा भी था कि मिश्रण की प्रक्रिया पूरी हो सके।

निष्कर्ष बताते हैं कि यह Y-आकार के इनलेट और चाप-आकार की बाधाओं वाला वर्गाकार-कक्ष माइक्रोमिक्सर, सूक्ष्म स्तर के सिस्टम में तरल पदार्थों को मिलाने के लिए एक अत्यधिक कुशल, पैसिव समाधान प्रदान करता है। बाधा की ऊँचाई को 0.95 मिलीमीटर पर सावधानीपूर्वक ट्यून करके और 0.15 मीटर प्रति सेकंड की इनलेट वेलोसिटी बनाए रखकर, यह उपकरण प्रवाह के प्रतिरोध को कम रखते हुए उच्च स्तर की मिश्रण एकरूपता प्राप्त करता है। इस डिज़ाइन के लिए किसी बाहरी ऊर्जा स्रोत या जटिल गतिशील भागों की आवश्यकता नहीं है, यह चैनल की ज्यामिति और प्रवाह के भौतिकी पर निर्भर करता है। लघु विश्लेषण प्रणालियों (miniaturized analysis systems) को विकसित करने वाले शोधकर्ताओं के लिए, यह दृष्टिकोण धीमे विसरण की सीमाओं को दूर करने के लिए एक विश्वसनीय तरीका प्रदान करता है, जिससे तेज़ और अधिक कुशल रासायनिक प्रतिक्रियाओं और जैविक पहचान को सक्षम बनाया जा सके।