Numerical study on the dynamics of Brownian particulate systems in confined microchannel flow

Abstract

제한된 미세유로에서 입자 시스템의 수치모사 연구는 다양한 활용이 가능한 랩온어칩 (lab on a chip) 개발에 있어 매우 중요하며, 이러한 이유로 기초 연구와 응용연구에서 많은 관심을 받아왔다. 우선, 우리는 깊고 얕은 부분이 반복되는 나노 필터 (nanofilter) 를 흘러가는 짧은 이중나선 DNA의 거동을 브라운 거동 수치모사를 이용해 조사하였다. 이를 통해 높은 생산성 영역의 DNA 분류 공정에서 제시된 기존의 연구 (Laachi et al., Physical Review Letters, 2007, 98) 와 다른 새로운 메커니즘을 제시하였다. 이를 통해 채널 얇은 부분 출구에서 기하학적인 제한에 의해 DNA 분자는 결정론적으로 길이에 따라 다른 전기영동 유선으로 이동하는 것을 보였다. 결과적으로, 긴 DNA분자는 깊은 부분에서 아래쪽으로의 이동이 적은 상태로 이동하였으며, 이는 짧은 분자가 깊은 부분에서 긴 체류시간을 가진 것과 반대되는 현상이다. 우리는 나노 필터에서의 DNA분자의 거동을 전기영동 역학을 통해 설명하였다. DNA분자의 길이에 따른 통계적 위치 분포 차이는 이러한 우리의 가정을 뒷받침하였다. 또한 채널의 얕은 부분과 깊은 부분 사이의 꺾인 각도는 DNA분류 효율에 중요한 역할을 하는 것을 발견하였다. 이는 채널의 모양에 따라 다른 불균일하게 분포된 전기장과 기하학적 제한 모델의 결합된 결과를 보여준다. 이러한 결과들은 나노유로의 DNA분류 장치의 디자인과 활용에 이용될 것이며, 제한된 환경에서 고분자의 거동 특성을 이해하는 데에 도움을 줄 것이라 기대된다. 또한, 제한된 복잡한 형태의 채널에서 복잡 유체의 미세구조의 변화와 유동과의 상호 관계에 대해 조사하였다. 이러한 복잡한 유동의 특성을 이해하기 위해, 우리는 4:1 수축관 유동에서 응집성 입자 서스펜전의 거동을 자기 일관적 입자계 유동해석 기법을 통해 연구하였다. 자기 일관적 입자계 유동해석 기법은 브라운 동력학과 유한 요소법을 자기 일관적으로 결합한 것으로, 긴 영역에서의 수력학을 효율적으로 고려한다. 이를 통해 우리는 위치에 따라 불균일하게 입자 구조체가 형성되는 것을 발견하였고, 이를 유동과 입자 상호력의 경쟁관계로 분석하였다. 또한 미세구조의 변화와 이와 유동과의 상호작용에서 기인한 시간-공간상의 유동 변동을 관찰하였다. 이러한 변동은 매우 복잡하여 주기성이나 패턴 특성이 없었다. 이러한 결과를 통해 불균일 구조 형성과 시공간의 유동특성의 변동은 미세 수축 유로를 흐르는 입자 서스펜전의 복잡한 유동을 특징짓는 주요한 요소가 됨을 알 수 있다.

The numerical study on particulate systems in confined microchannel flow is significantly important in developing lab-on-a-chip devices for various applications and accordingly, this aspect has attracted much attention in fundamental and applied research. Firstly, we have investigated the dynamics of short double-stranded DNA molecules which move through a deep–shallow alternating nanofilter with Brownian dynamics simulation. We proposed a novel mechanism for high-throughput DNA separation with a high electric field, which was originally predicted by Laachi et al. (Physical Review Letters, 2007, 98). In this work, we show that DNA molecules deterministically move along different electrophoretic streamlines according to their length, owing to geometric constraint at the exit of the shallow region. Consequently, it is more probable that long DNA molecules pass over a deep well region without significant lateral migration toward the bottom of the deep well, which is in contrast to the long dwelling time for short DNA molecules. We investigated the dynamics of DNA passage through a nanofilter facilitating electrophoretic field kinematics. The statistical distribution of the DNA molecules according to their size clearly corroborates our assumption. On the other hand, it was also found that the tapering angle between the shallow and deep regions significantly affects the DNA separation performance. The current results show that the non-uniform field effect combined with geometric constraint plays a key role in nanofilter-based DNA separation. We expect that our results will be helpful in designing and operating nanofluidics-based DNA separation devices and in understanding the polymer dynamics in confined geometries. In addition, the dynamics of complex fluids in confined complex geometry have been investigated to observe the microstructural change and its interaction with flow. To understand the characteristics of these complex flows, we have studied the dynamics of aggregating particle suspensions in three dimensional 4:1 contraction flow using the self-consistent particle simulation method. It combines both Brownian dynamics and finite element methods self-consistently, which enables to consider long-range hydrodynamic interaction effectively. We observed heterogeneous cluster formation and analyzed it in terms of the competition between flow and interparticle forces. In addition, spatio-temporal fluctuation which originates from the microstructural change and its interaction with the flow was observed. The fluctuation was complex with no characteristic periodicity or pattern. Heterogeneous structure formation and spatio-temporal fluctuation were found to be the main factors that characterize the complex flow of the particulate suspensions in the micro-contraction channel flow.