Отделение крупных капель из маслом в воде эмульсии с помощью микрофлюидного чипа с детерминистическим латеральным смещением (DLD)

Почему важны крошечные капли масла

От заправок для салатов и кремов для кожи до систем доставки лекарств — многие повседневные продукты зависят от крошечных капель масла, взвешенных в воде. Если часть капель намного больше остальных, они склонны сливаться и всплывать или расслояться, делая гладкие кремы зернистыми и сокращая срок годности. В этом исследовании изучается щадящий способ удаления таких проблемных крупных капель с использованием небольшого пластикового чипа с микроскопическими структурами, чтобы получить более стабильные и однородные эмульсии без добавления химикатов.

Делая смеси более гладкими за счёт удаления крупных капель

Эмульсии масло-в-воде — это смеси, где масляные капли диспергированы в воде. Они имеют решающее значение в косметике, пищевой продукции и лекарствах, где ощущение, внешний вид и способ доставки активных веществ зависят от размера капель. Крупные капли действуют как «зачатки», ускоряющие слияние и расслоение, особенно при отсутствии поверхностно-активных веществ (стабилизирующих химикатов). Если размеры капель удастся уменьшить ниже примерно одного микрометра и сохранить узкое распределение, случайное тепловое движение сможет противостоять гравитации, помогая смесям дольше оставаться однородными. Авторы поэтому сосредоточились не на приготовлении эмульсии с нуля, а на очищении уже готовой эмульсии путём селективного удаления её крупных капель.

Чип, который сортирует капли по размеру

Для этого команда использовала микрофлюидную технологию, называемую детерминистическим латеральным смещением (DLD). Внутри прозрачного чипа размером с кредитную карту расположён «лес» из крошечных столбиков, расставленных в слегка сдвинутых рядах. При протекании жидкости между этими столбиками мелкие капли следуют плавным, зигзагообразным траекториям, формируемым потоком, тогда как капли выше определённого размера при каждом столкновении с столбиком смещаются вбок. Так образуются два разных маршрута за один проход: для мелких капель, остающихся в середине канала, и для более крупных, которые постепенно отталкиваются к боковым стенкам. Тщательно подобрав диаметр столбиков, их расстояние и сдвиг между рядами, исследователи спроектировали чип с пороговым размером около 1,7 микрометра — капли крупнее этого размера отделяются от остальной массы.

Тестирование сортировки на модельных частицах

Прежде чем работать с реальными эмульсиями, исследователи проверили, насколько хорошо чип разделяет частицы известного размера. Компьютерные модели течения жидкости между столбиками показали, как линии тока изгибаются и сжимаются, объясняя, почему крупные объекты отклоняются вбок, тогда как мелкие пробегают между столбиками. Эксперименты с флуоресцентными пластиковыми шариками диаметром один и два микрометра подтвердили механизм: небольшие шарики распределялись по каналу, а крупные двигались плотной полосой у стены и выходили через другой выход. Условия течения были выбраны так, чтобы капли вели себя почти как жёсткие сферы, а не как мягкие комочки, что гарантировало: путь определялся размером, а не деформацией.

Очищение реальных эмульсий и проверка стабильности

Затем команда применила чип к наноэмульсиям масло-в-воде, полученным при помощи ультразвукового устройства, которое использует сфокусированные звуковые волны для раздробления масла на мелкие капли без поверхностно-активных веществ. Исходные эмульсии имели медианный размер капель около 1,1 микрометра. После прохождения через DLD-чип медианный размер уменьшился примерно до 0,77 микрометра в одном образце и до 0,73 микрометра в другом, а доля крупных капель заметно снизилась. Повторные пропуски через несколько идентичных чипов давали практически одинаковые распределения по размеру, что свидетельствует о воспроизводимости процесса. При хранении обработанных эмульсий в течение недели и мониторинге на предмет расслоения значимых изменений не наблюдалось, что указывает на то, что уменьшение размера капель и сужение распределения действительно улучшили стабильность.

Перспективы и практические препятствия

Хотя концепция хорошо работает, текущему устройству присущи практические ограничения. Чтобы нацелиться на меньшие пороговые размеры или обработать больше жидкости в час, зазоры между столбиками должны становиться уже, а каналы — выше, что трудно изготовить из мягкого силикона и может привести к деформации или протечкам при повышенном давлении. Авторы предлагают, что будущие версии из более жёстких материалов, таких как стекло или твёрдые полимеры, и с множеством параллельных каналов могли бы обеспечить более высокие расходные способности, подходящие для промышленного применения, сохранив при этом тот же щадящий, пассивный принцип сортировки.

Что это означает для повседневных продуктов

Проще говоря, исследование демонстрирует, что грамотно спроектированный микрочип может вычистить крупные нестабильные капли из смеси масло-в-воде, оставив более тонкую, однородную эмульсию, которая дольше остаётся смешанной — и всё это без добавления стабилизаторов или энергозатратного оборудования. При масштабировании этот подход может помочь производителям пищевых продуктов, косметики и лекарств точнее регулировать текстуру и срок годности с помощью компактного непрерывного постобработающего шага, превращая точный контроль над размером капель в практический инструмент для получения более качественной и надёжной продукции.

Цитирование: 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

Ключевые слова: наноэмульсия, микрофлюидный чип, разделение капель, устойчивость эмульсии, детерминистическое латеральное смещение