El flow focus en dinámica de fluidos es una tecnología cuyo objetivo es la producción de gotas o burbujas por medios hidrodinámicos sencillos. El resultado es un líquido o gas disperso, frecuentemente en forma de un aerosol fino o una emulsión . No se requiere ninguna otra fuerza impulsora, aparte del bombeo tradicional, una diferencia clave con otras tecnologías comparables, como la electrospray (donde se necesita un campo eléctrico ). Tanto el flow focus como la electrospray trabajando en su régimen más ampliamente utilizado producen sprays de alta calidad compuestos por gotas homogéneas y de tamaño bien controlado. El flow focus fue inventado por el profesor Alfonso M. Gañan-Calvo (que ahora enseña en la ETSI de Sevilla) en 1994, patentado en 1996 y publicado por primera vez en 1998.
El principio básico consiste en un fluido en fase continua (fluido de enfoque o fluido envolvente) que flanquea o rodea la fase dispersa (fluido enfocado o fluido central), de modo que se produzca la rotura de gotas o burbujas en la proximidad de un orificio a través del cual se extruyen ambos fluidos. El principio puede extenderse a dos o más fluidos coaxiales; se pueden combinar gases y líquidos; y, dependiendo de la geometría del tubo de alimentación y los orificios, el patrón de flujo puede ser cilíndrico o plano. [1] [2] Tanto el enfoque de flujo cilíndrico como el plano han dado lugar a una variedad de desarrollos (ver también los trabajos de Peter Walzal).
Un dispositivo de enfoque de flujo consiste en una cámara de presión presurizada con un suministro continuo de fluido de enfoque. En el interior, se inyectan uno o más fluidos enfocados a través de un tubo de alimentación capilar cuyo extremo se abre frente a un pequeño orificio, que conecta la cámara de presión con el ambiente exterior. La corriente de fluido de enfoque moldea el menisco de fluido en una cúspide dando lugar a un micro o nanochorro constante que sale de la cámara a través del orificio; el tamaño del chorro es mucho menor que el orificio de salida, lo que impide cualquier contacto (que puede provocar una deposición o reacción no deseada). La inestabilidad capilar rompe el chorro constante en gotitas o burbujas homogéneas.
El tubo de alimentación puede estar compuesto por dos o más agujas concéntricas y diferentes líquidos o gases inmiscibles que se inyectarán, dando lugar a gotas compuestas. [3] Al curarse adecuadamente, dichas gotas pueden dar lugar a microcápsulas multicapa con múltiples capas de espesor controlable. La concentración de flujo garantiza una producción extremadamente rápida y controlada de hasta millones de gotas por segundo a medida que el chorro se desintegra.
El papel de la tensión viscosa tangencial es esencial para establecer una forma de menisco estable en el enfoque de flujo, como se ilustra en el caso de un chorro de líquido simple rodeado de un gas. En ausencia de una tensión tangencial suficientemente fuerte, se obtiene un menisco de vértice redondo. Tanto el flujo de líquido interno como el de gas externo exhibirían regiones de estancamiento alrededor del vértice redondo. La tensión de tensión superficial σ/D se equilibraría simplemente mediante un salto de presión apropiado a través de la interfaz. Si uno empuja lentamente un caudal de líquido Q, el sistema escupiría intermitentemente el exceso de líquido para recuperar la forma de equilibrio de vértice redondo. Sin embargo, cuando la tensión tangencial es suficientemente vigorosa en comparación con σ/D, la superficie se puede deformar en una forma cónica estable, lo que permite la aceleración continua y suave del líquido bajo las acciones combinadas de la caída de presión ΔP y la tensión viscosa tangencial τs sobre la superficie del líquido.
El enfoque de flujo se puede aplicar en la industria alimentaria, médica, farmacéutica, cosmética, fotográfica y medioambiental, entre otros usos potenciales. La producción de partículas compuestas es un campo importante: se pueden citar la encapsulación de fármacos, las partículas marcadas con colorante y las partículas de núcleo múltiple. [4] [5] Otras aplicaciones incluyen la citometría de flujo [6] [7] y los circuitos microfluídicos. [8] [9] Se pueden producir agentes de contraste como gotitas y microburbujas en dispositivos microfluídicos de enfoque de flujo.