Lift-off stress of viscoelastic fluids flowing in herringbones decorated microfluidic channels

Abstract (italiano): In questa tesi è stato studiato il flusso tridimensionale lungo la direzione trasversa di un’emulsione in un canale microfluidico con pareti decorate da microstrutture a spina di pesce su scale spaziali dell'ordine della taglia delle goccie. L’emulsione è un esempio di Soft Glassy Material (SGM), un gruppo di materiali che comprende gel, schiume, creme, paste e fanghi. Questi materiali presentano una complessa reologia, che dipende dalla frazione di volume occupata dai loro costituenti. Studi recenti indicano che, per alte frazioni di volume, il comportamento dei SGM possa essere determinato dal confinamento del sistema per mezzo di una complicata reologia non-locale, e che inoltre si possa controllare specifiche proprietà del flusso di questi materiali tramite microstrutture sulle superfici dei canali. In questa tesi è stata studiata la struttura tridimensionale del flusso in un canale con microstrutture a spina di pesce, la cui asimmetria longitudinale definisce due differenti direzioni di flusso, chiamate forward e backward. I risultati mostrano profonde differenze tra i flussi nelle due direzioni, anche a frazioni di volume relativamente basse, un risultato non riportato in letteratura. Questo risultato è rafforzato da esperimenti con un liquido Newtoniano ed uno Shear-thinning, che mostrano come la differenza osservata non possa essere spiegata né da errori sistematici del sistema di misura, né dalla reologia di bulk. Questo suggerisce che la differenza sia in effetti causata da una reologia non-locale, indotta da effetti di taglia finita dei costituenti dell’emulsione, già presente a concentrazioni di volume inferiori a quelle considerate come limite inferiore in letteratura. Abstract (inglese): In this thesis we study the three dimensional cross section of the flow of emulsion in microfluidic channels with walls decorated by herringbone structured grooves with spatial dimension comparable with the droplets size. The emulsion is an example of a Soft Glassy Material (SGM), a class of materials that comprehend also gels, foams, creams, pastes and muds. These materials have a complex rheology, that depends on the volume fractions occupied by the components. Recent studies have suggested that, for high volume fractions, the behaviour of SGMs could be determined by the confinement of the system by means of a complex non-local rheology and that microstructures on the channel surfaces could be used to control specific properties of their flow. In this work we study the three-dimensional structure of the flow in the herringbone pattern decorated channel, whose longitudinal asymmetry defines two different flowing directions, labeled forward and backward. The results show profound differences between the flows in the two directions, even at a volume fraction relatively low, a result not reported in literature. This result is reinforced by our tests on a Newtonian fluid and a Shear-thinning one, that show that neither experimental biases or bulk rheology could be the cause of the difference observed, suggesting that the non-local rheology induced by finite-size effect of the constituents is already present at lower concentrations than those considered as lower limit in literature.