Produzione e caratterizzazione di schiume bidimensionali

Una schiuma acquosa è una dispersione concentrata di bolle gassose in una soluzione liquida di acqua e particolari sostanze, dette surfattanti, che facilitano la formazione e la stabilizzazione della schiuma stessa. Un parametro che caratterizza significativamente la struttura e il comportamento di una schiuma è la sua frazione di liquido, pari al rapporto tra volume di liquido e volume totale della schiuma. Al tendere a zero della frazione di liquido, le bolle assumono forma sempre più poliedrica e la schiuma in questione è detta "dry foam''. Caratteristica ineluttabile delle schiume acquose, è l'instabilità. La loro evoluzione temporale volge irreversibilmente verso la diminuzione del numero totale di bolle e del volume della schiuma fino al loro totale collasso. Inoltre, l'elevato numero di interfacce liquido-gas in una schiuma fa sì che la luce venga riflessa e rifratta numerose volte nell'attraversare il sistema: sono quindi necessarie specifiche tecniche di visualizzazione per l'osservazione di sistemi tridimensionali, altrimenti opachi. Si possono però realizzare anche schiume bidimensionali. Queste risultano molto più stabili di quelle 3D e più facili da visualizzare. Questa rete di interfacce è anche responsabile di un gran numero di complesse proprietà. Ad essere sfruttate sono soprattutto le proprietà reologiche uniche delle schiume. Queste infatti, possono comportarsi come un solido elastico o plastico, ma anche come un liquido viscoso a seconda di come vengono manipolate. Le proprietà fisiche di una schiuma dipendono in modo cruciale dalle caratteristiche della sua struttura. In passato si è sviluppato un gran numero di diverse tecniche di produzione per avere controllo su di esse. Nel caso in esame, l'interesse è lo studio del flusso di sistemi bidimensionali di schiume in canali microfluidici in presenza di ostacoli di dimensione comparabile a quella delle bolle. Per poter fare ciò, si è dovuta individuare una tecnica che permettesse di ottenere una schiuma sufficientemente stabile da supportare il flusso per tutta la durata delle misure e tale da avere: bolle di dimensione uniforme (altrimenti non sarebbe possibile la distribuzione della schiuma su un unico strato), frazione di liquido trascurabile (altrimenti la dinamica di scorrimento sarebbe sostanzialmente dominata dalla fase liquida), bolle di dimensione sulla scala del micrometro. A tal fine si sono tentate due diverse tecniche, che hanno portato ad avvicinarsi sempre di più al risultato cercato, seppur con qualche aspetto ancora da chiarire. Il primo metodo, sfrutta due siringhe con le uscite connesse una contenente aria e l'altra la soluzione acquosa. Premendo alternatamente gli stantuffi si viene a creare una schiuma. Con il secondo metodo invece, si generano le singole bolle direttamente nella soluzione liquida immettendo aria, tramite un generatore di pressione costante, da un capillare di dimensioni micrometriche e realizzando così un gorgogliatore. Lo scopo della presente tesi è descrivere tali metodi testati e analizzare i risultati ottenuti da ciascuno di essi al fine di individuarne le problematiche e progettare ulteriori possibili migliorie. [An aqueous foam is a concentrated dispersion of gaseous bubbles in a solution liquid water and special substances, called surfactants, which facilitate the formation and stabilization of the foam itself. A parameter that significantly affects the structure and behavior of a foam is its liquid fraction, which is the ratio between the volume of liquid and the total volume of the foam. As the liquid fraction tends to zero, bubbles take on an increasingly polyhedral shape and the foam becomes a "dry foam". An inevitable feature of aqueous foams is instability. Their ageing causes a decrease in the total number of bubbles and in the volume of foam until eventually the foam collapses completely. Furthermore, the high number of liquid-gas interfaces in a foam causes the light to be reflected and refracted numerous times when crossing the system: specific visualization techniques are thus necessary for the observation of three-dimensional systems, otherwise opaque. However, there are also two-dimensional foams which are much more stable than 3D ones and easier to visualize. This network of interfaces is also responsible for a great number of complex properties. The most interesting are their unique rheological properties. As a matter of fact, foams can behave as both an elastic or plastic solid, but also as a viscous liquid depending on how they are handled. The physical properties of a foam are strongly linked to their structure. In the past, many different production techniques have been developed to control them. In this case, the objective is the study of the flow of two-dimensional foam systems in microfluidic channels in the presence of obstacles of size comparable to that of bubbles. In order to do this, it was necessary to identify a technique that would allow to obtain a sufficiently stable foam to support the flow for the whole duration of the measurements. Such a foam would also need to have: bubbles of uniform size (otherwise it would not be possible to distribute the foam on a single layer), small liquid fraction (otherwise the flow dynamics would be substantially dominated by the liquid phase), bubbles size on the scale of the micrometer. In order to obtain such a foam, two different techniques have been adopted, leading closer and closer to the result sought, though some aspects have yet to be clarified. The first method uses two syringes with their exits connected. One contains air and the other the aqueous solution. Pressing the plungers alternately creates a foam. With the second method, the individual bubbles are generated directly in the liquid solution by introducing air, via a constant pressure generator, from a capillary of micrometric dimensions. The purpose of this thesis is to describe these tested methods and analyze the results obtained with each of them in order to identify the problems and plan further possible improvements.]