Intrappolamento di gocce in canali microfluidici

A droplet minimizes its surface energy by keeping a shape as spherical as possible. When a spherical droplet enters a channel with a height smaller than the sphere diameter, the droplets is squeezed and it takes the shape of a pancake, increasing its surface energy. If there is a hole on the channel’s top, the drop is pulled into the groove, filling it partially or completely and thus reducing its surface energy. That way the drop reaches a more favorable energetic configuration. The hole produces an attractive force that opposes the drag force generated by the oil flow in which the drop is immersed. By etching holes with different diameters and depths, it is possible to create a wide spectrum of attractive forces. The objectives of this thesis are the designing and making of this type of microfluidic chip and a first study of this anchoring system. The thesis’ activity was done at the Laboratorio di Fisica delle Superfici e delle Interfacce (LaFSI) (Physics Laboratory of Surfaces and Interfaces) at the University of Padova's Dipartimento di Fisica e Astronomia.

Una goccia a riposo tende ad assumere una forma il più possibile sferica per ridurre la sua energia superficiale. Introducendo una goccia all’interno di un canale più basso del suo diametro, la goccia si comprime assumendo una forma a disco. In presenza di incisioni realizzate sul soffitto del canale, la goccia riduce il suo confinamento, raggiungendo una configurazione energetica più favorevole. In questo modo è possibile attrarre una goccia in queste aree e il gradiente di energia superficiale così indotto crea una forza di ancoraggio che si oppone alla forza di drag (di trascinamento) dovuta al flusso della fase continua in cui è immersa la goccia. Si possono quindi realizzare delle buche circolari di diverso diametro e profondità nel soffitto del canale per intrappolare le gocce con forze diverse. Gli obiettivi di questa tesi sono stati la progettazione e realizzazione di un chip microfluidico per studiare questo meccanismo e una prima caratterizzazione della forza di ancoraggio delle buche. L’intera attività è stata svolta presso il Laboratorio di Fisica delle Superfici e delle Interfacce (LaFSI) del dipartimento di Fisica e Astronomia G. Galilei dell’Università di Padova.