Ldb Convergenze Parallele_17
- 1. Micro/Nanofluidica • Giampaolo Mistura • Laboratorio di Fisica delle Superfici e delle Interfacce • Dipartimento di Fisica G.Galilei, Università di Padova Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 2. Outline •Microfluidica •Microfluidica di gocce •Gocce su superfici strutturate •Gocce soggette a vibrazioni •Gocce in microcanali Ecotekne, Lecce, 10/9/2013 •Soft-litografia
- 4. Recente campo interdisciplinare dedicato alla manipolazione di micrometriche quantità di fluidi (μl/nl range) Microfluidica Molti prevedono che l’impatto dei chip microfluidici sulla chimica e sulla biologia sarà analogo a quello del circuito integrato in elettronica Coinvolge ricerca in ingegneria, microfabbricazione, scienza dei materiali, fisica, chimica, biologia, medicina… sia a livello fondamentale, sia applicato 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 0 500 1000 1500 2000 2500 citations ISI citations microfluidic/s in title Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 5. Portabilità Ottimo controllo del flusso Vantaggi nella miniaturizzazione fluidica Ridotti tempi di analisi e sintesi Piccolissime quantità di reagenti e scarti chimici Controllo accurato delle concentrazioni e delle interazioni molecolari Semplice realizzazione di processi parallelo Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 6. Sacro Graal Lab-on-a-chip Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 7. Ecotekne, Lecce, 10/9/2013 I soldi contano Microfluidica su carta Whitesides group, Harvard University
- 8. Microelecttronica vs. Microfluidica Circuito Integrato Microfluidic chip Quantità trasportata Carica-No Massa Massa (no carica) Materiali del Chip Inorganici (semiconduttori) Organici (polimeri) Dimensione caratteristica canale ~100 nm ~100 μm Regime di trasporto Simile ai circuiti macroscopici (classico, no quantistico) Diverso dai circuiti macroscopici (laminare, no turbulento) Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 9. Ecotekne, Lecce, 10/9/2013 Re number classifica differenti regimi di flusso: Re≤2000 laminare Re>4000 turbolento In microfluidica: u ~0.1 μm/sec ÷10 mm/sec, L~10 μm ÷100 μm; H2O v=η/ρ=0.01/1=0.01 cm2/sec Re=uL/v 10-6 ÷ 101 Numero di Reynolds
- 10. Ecotekne, Lecce, 10/9/2013 Michael Phelps WR 200mt freestyle: t=1:43.86sec u=1.9 m/sec; Re~ 104 ÷ 105
- 11. Organismi viventi Poecilia ret L~5cm, u~10 cm/sec Re~100 ÷ 1000 Escherichia coli L~1μm, u~50 μm/sec Re~10-4 ÷ 10-3 Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 12. Nessun mescolamento in a microcanale A causa del regime laminare in un microcanale, due liquidi (miscibili) non si mescolano mentre si muovono lungo un canale uniforme Due liquidi a una giunzione a T Tre liquidi dopo una giunzione a croce Persistenza del flusso di no-mixing Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 13. •Microfluidica di gocce Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 14. Microfluidica di gocce Riguarda la produzione, trasporto, manipolazione e rilevazione di gocce di un liquido A (fase dispersa) nel liquido immiscibile B (fase trasportata) Vantaggi • No-interazione goccia-parete • No-interazione goccia-goccia • Ordine è preservato • Veloce mixing Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 15. Droplet microfluidics Flows in microchannels occur at small Reynolds numbers U ~0.1 μm/sec ÷10 mm/sec, L~10 μm ÷100 μm; H2O v=η/ρ=0.01 cm2/sec Re 10-6 ÷ 101 Capillary forces dominate gravitational forces at the microscale Gravitational force: Fgrav ~ L3 Capillary force: Fcap ~ L1 Fcap / Fgrav ~ L-2 Bond number Bo=ρgW2/γ Bo 10-3 ÷ 10-1 Capillary forces also dominate viscous forces Capilllary number Ca=µ U/η Ca 10-5 ÷ 100 Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 16. Droplet microfluidics Small Bo and Ca numbers guarantee that droplets in microfluidics are robust objects that do not break or merge Presence of interfaces makes the droplet dynamics highly nonlinear in spite of the small Re number Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 17. Circuiti integrati I computers eseguono compiti complicati manipolando numeri digitali attraverso la logica Booleana Possono essere pensati come un insieme complesso di porte logiche connesse insieme Una porta logica è un circuito che esegue una operazione logica su uno o più input logici e produce un unico output logico Poiché l’output è sempre un livello logico, l’output di una porta logica può essere connesso all’input di una o più porte logiche. Le operazioni fondamentali sono AND, OR, NOT e NOT Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 18. Tipi di porte logiche NOT OR AND INPUT OUTPUT A B A AND B 0 0 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 INPUT OUTPUT A B A OR B 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 IN OUT A NOT A 0 1 1 0 Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 19. Applicazioni microfluidica di gocce BUBBLE LOGIC Goccia come un Bit in logica microfluidica logic Prakash et al., Science 07 Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 20. Applicazioni di microfluidica di gocce CHIMICA Goccia come un microreattore De Mello group, ETH Zurigo Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 22. Spin-coating UV exposure Negative photoresist (SU8, NOA) Positive photoresist (Microposit) Photolithography Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 23. Microfabrication - Double replica molding 1st Replica with PDMS PDMS PDMS PDMS PDMS Master Master Master Negative replica Peel offCuring 2nd Replica with PDMS (qY≈110°) or NOA (qY≈70°) PDMS PDMS PDMS PDMS or NOA PDMS or NOA PDMS or NOA PDMS or NOA Positive replica Curing Peel off Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 24. Microfabrication – examples of closed channels 50mm 50mm Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 25. Microfabrication – Micro contact printing functionalization substrate PDMS Solution of the molecule to transfer Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 26. 100 mm 100 mm Microfabrication – examples of patterned surfaces Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 27. Fabrication of polyesther-toner T-junctions Ecotekne, Lecce, 10/9/2013 Piccin et al., under review Lab Chip
- 28. Polyesther-toner T-junctions Ecotekne, Lecce, 10/9/2013 Piccin et al., under review Lab Chip
- 29. Contact angle meter Nikon TI microscope ZOOM LENS SAMPLE STAGE MIRROR LED LIGHTS CAMERA SYRINGE PUMP LED LIGHTS SAMPLE HOLDER CAMERAS Optical setups Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 31. Generatore di gocce: giunzione a T Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 32. Produzione di treni di gocce Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 33. Generations of droplets in PeT T-junctions Ecotekne, Lecce, 10/9/2013 Piccin et al., under review Lab Chip Generation of W/O and O/W drops occurs in the same PeT devices no functionalization of walls but only addition of suitable surfactants
- 34. Interazione gocce-ostacoli Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 35. Sliding droplets Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 36. Gocce in moto su superfici strutturate Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 37. Dynamical regimes Ecotekne, Lecce, 10/9/2013 Varagnolo et al., PRL2013
- 38. 30 ml 40 ml Mean velocity Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 39. 2D numerical analysis drops sliding on stripes Ecotekne, Lecce, 10/9/2013 Varagnolo et al., PRL2013
- 40. Drops sliding on triangular hydrophobic patterns Ecotekne, Lecce, 10/9/2013 Varagnolo et al., subm. to Langmuir
- 41. Comparison patterns Ecotekne, Lecce, 10/9/2013 Motion on patterned samples is slower (up to a factor 10) than that on homogeneous surfaces having the same static contact angle Motion on stripes is isotropic and presents stick-slip. Motion strongly depends on the relative width of the hydrophobic/hydrophilic stripes Motion on triangular domains is anisotropic and is faster on the linear pattern than on the chessboard pattern Motion on square domains is isotropic and depends on the symmetric arrangements of the domains: differences between patterns amount up to 20% Chemical patterning allows a very fine (passive) control of drop motion
- 42. Droplets under vibrations Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 43. Moto gocce indotto da vibrazioni Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 44. Diagramma di fase dinamico Quagliati, Tesi 2013 Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 45. Diagrammi di fase dinamici Quagliati, Tesi 2013 Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 46. Resonance modes Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 47. Simulazione numerica Ecotekne, Lecce, 10/9/2013 Courtesy Prof. Casciola, La Sapienza
- 48. Simulazione numerica Ecotekne, Lecce, 10/9/2013 Quagliati, tesi 2013
- 49. CONCLUSIONI •Alle piccole scale, il comportamento di gocce è dominato dalla capillarità •In microcanali chiusi, la produzione e il moto di gocce può essere accuratamente controllato •Su superfici aperte, la figura chimica influenza sensibilmente il moto delle gocce •Le vibrazioni sembrano essere un modo promettente per controllare la dinamica di gocce Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 50. ACKNOWLEDGMENTS Matteo Pierno Evandro Piccin D. Ferraro S. Varagnolo V. Schiocchet E. Chiarello D. Quagliati Paolo Sartori, Paolo Fantinel, Nicola Galvanetto, Valdo Chilese, Carlo Rigoni http://lafsi.fisica.unipd.it/ Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
- 51. SPECIAL THANKS Mauro Sbragaglia, G Amati and Luca Biferale Dipartimento di Fisica, Università di Tor Vergata, Roma Ciro Semprebon, Martin Brinkmann MPI for Dynamics and Self-Organization, Goettingen 2011 ERC Grant DroEmu and PRAT2012 MiNet, Padua University Ecotekne, Lecce, 10/9/2013