فصل القطرات الكبيرة من مستحلب زيت في ماء باستخدام رقاقة ميكروفلويدية للانزياح الجانبي الحتمي (DLD)

لماذا تهم القطرات الزيتية الصغيرة

من صلصات السلطة ومستحضرات الجلد إلى أنظمة إيصال الأدوية، تعتمد العديد من المنتجات اليومية على قطرات زيتية دقيقة مشتتة في الماء. إذا كانت بعض القطرات أكبر بكثير من غيرها، فقد تميل إلى الاندماج والارتفاع أو الانفصال، مما يجعل الكريمات النعمة حبيبية ويقصر عمر المنتج على الرف. تستكشف هذه الدراسة طريقة لطيفة لإزالة تلك القطرات الكبيرة المسببة للمشكلات باستخدام رقاقة بلاستيكية صغيرة ذات هياكل مجهرية، بهدف الحصول على مستحلبات أكثر استقرارًا وتجانسًا دون الحاجة إلى مواد كيميائية إضافية.

صنع خلطات أنعم عبر إزالة الكبيرة منها

المستحلبات الزيتية المائية هي مزيجات تُشتت فيها قطرات الزيت داخل الماء. وهي ضرورية في مستحضرات التجميل والأغذية والأدوية، حيث يعتمد ملمس المنتج ومظهره وطريقة توصيل المكونات الفعالة على حجم القطرات. تعمل القطرات الأكبر كبذور تسرع الاندماج والانفصال، لا سيما عندما لا تُستخدم المواد المُستقرة (الأسبرتيفكتات). إذا أمكن تقليل أحجام القطرات إلى أقل من نحو ميكرومتر واحد والحفاظ على توزيع ضيق لها، فإن الحركة الحرارية العشوائية يمكن أن تتغلب على الجاذبية، مما يساعد المزيج على البقاء متجانسًا لفترة أطول. لذلك ركز الباحثون ليس على كيفية إعداد المستحلب من الصفر، بل على كيفية تنظيف مستحلب موجود بالفعل بإزالة قطراته الأكبر بشكل انتقائي.

رقاقة تفرز القطرات بحسب الحجم

للقيام بذلك، استخدم الفريق تقنية ميكروفلويدية تُدعى الانزياح الجانبي الحتمي (DLD). داخل رقاقة شفافة بحجم بطاقة ائتمان تنمو غابة من الأعمدة الصغيرة مرتبة في صفوف مُزاحة قليلًا. مع تدفق السائل بين هذه الأعمدة، تتبع القطرات الصغيرة مسارات متعرجة ناعمة يحددها الماء، في حين تُدفع القطرات الأكبر جانبًا في كل مرة تصطدم فيها بعمود. هذا يخلق مسارين متميزين في مرور واحد: أحدهما للقطرات الصغيرة التي تبقى في وسط القناة، وآخر للقطرات الأكبر التي تُدفع تدريجيًا نحو جدران القناة الجانبية. عبر اختيار قطر الأعمدة وفتحاتها والإزاحة بين الصفوف بعناية، صمّم الباحثون رقاقة بحد فاصل تقريبًا عند 1.7 ميكرومتر، بمعنى أن القطرات الأكبر من ذلك تُفصل عن الباقي.

اختبار الفرز بجسيمات نموذجية

قبل استخدام مستحلبات حقيقية، تحقق الباحثون من كفاءة الرقاقة في فصل جسيمات ذات أحجام معروفة. أظهرت محاكاةالحركة السائلة بين الأعمدة كيف تنحني وتتكثف خطوط التدفق، موضحة لماذا تُوجَّه الأجسام الأكبر جانبًا بينما تخترق الأصغر بينها. أكدت تجارب باستخدام خرز بلاستيكي فلوري بحجم واحد واثنين ميكرومتر الميكانيكية: انتشرت الخرزات الصغيرة عبر القناة، بينما سارت الخرزات الأكبر في شريط ضيق قرب الجدار وخرجت عبر مخرج مختلف. تم اختيار ظروف التدفق بحيث تتصرف القطرات تقريبًا ككرات صلبة بدلًا من أن تكون قابلة للتشوه كثيرًا، مما ضمَن أن الحجم — وليس التشوه — هو ما يحدد المسار الذي تسلكه.

تنقية المستحلبات الحقيقية والتحقق من الثبات

بعد ذلك طبّق الفريق الرقاقة على نانوإمولشنات زيت في ماء أُحضرت بجهاز بالموجات فوق الصوتية، الذي يستخدم موجات صوتية مركزة لتفتيت الزيت إلى قطرات دقيقة دون مُستحلبات. كان للمواد الأولية أحجام قطر متوسطة نحو 1.1 ميكرومتر. بعد المرور عبر رقاقة DLD، هبط الحجم الوسطي إلى نحو 0.77 ميكرومتر في عينة وإلى 0.73 ميكرومتر في أخرى، كما تقلصت نسبة القطرات الأكبر بشكل ملحوظ. أظهرت عمليات متكررة باستخدام رقاقات متطابقة توزيعًا في الحجم متقاربًا تقريبًا في كل مرة، مما يدل على أن العملية قابلة للتكرار. عند تخزين المستحلبات المعالجة ومراقبتها لمدة أسبوع لرصد علامات الانفصال، لم تُلاحظ تغييرات كبيرة، مما يشير إلى أن تصغير حجم القطرات وتضييق التوزيع حسّن بالفعل الثبات.

الآفاق والتحديات العملية

على الرغم من أن الفكرة تعمل جيدًا، تواجه الأجهزة الحالية حدودًا عملية. لاستهداف أحجام حدية أصغر أو لمعالجة كميات سائلة أكبر في الساعة، يجب أن تضيق الفتحات بين الأعمدة وتُرفع ارتفاعات القنوات، وهو ما يصعب تصنيعه في السيليكون اللين وقد يسبب تشوهًا أو تسربًا تحت ضغوط أعلى. يقترح المؤلفون أن نسخًا مستقبلية مصنوعة من مواد أكثر صلابة، مثل الزجاج أو البوليمرات الصلبة، واستخدام العديد من القنوات المتوازية قد تسمح بمعدلات تدفق أعلى مناسبة للاستخدام الصناعي مع الحفاظ على مبدأ الفرز السلبي واللطيف نفسه.

ماذا يعني هذا للمنتجات اليومية

بعبارات بسيطة، تُظهر الدراسة أن رقاقة ميكروفلويدية مصممة بذكاء يمكنها تمشيط القطرات الأكبر غير المستقرة من خليط زيت في ماء، تاركة وراءها مستحلبًا أنعم وأكثر تجانسًا يبقى مخلوطًا لفترة أطول — وكل ذلك دون إضافة مواد مُستقرة أو استخدام معدات تستهلك طاقة كبيرة. إذا تم تكبيرها، قد تساعد هذه المقاربة مصنّعي الأغذية ومستحضرات التجميل والأدوية على تحسين الملمس وعمر الرف عبر خطوة بعدية مستمرة ومضغوطة، محولة التحكم الدقيق في حجم القطرات إلى أداة عملية لمنتجات أفضل وأكثر موثوقية.

الاستشهاد: Hong, H., Lee, E., Hwangbo, S. et al. Separation of large droplets from an oil-in-water emulsion using a deterministic lateral displacement (DLD) microfluidic chip. Sci Rep 16, 9985 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39347-0

الكلمات المفتاحية: نانوإمولشن, رقاقة ميكروفلويدية, فصل القطرات, ثبات المستحلب, الانزياح الجانبي الحتمي