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

Outline

•Microfluidica

•Microfluidica di gocce

•Gocce su superfici strutturate

•Gocce soggette a vibrazioni

•Gocce in microcanali

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•Soft-litografia

•Microfluidica

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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

cita

tion

s

ISI citations

microfluidic/s in title

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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

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Sacro Graal

Lab-on-a-chip

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I soldi contano Microfluidica su carta

Whitesides group, Harvard University

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)

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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

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Michael Phelps

WR 200mt freestyle: t=1:43.86sec u=1.9 m/sec;

Re~ 104 ÷ 105

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

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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

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•Microfluidica di gocce

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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

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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

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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

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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

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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

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Applicazioni microfluidica di gocce BUBBLE LOGIC

Goccia come un Bit in logica microfluidica logic

Prakash et al., Science 07

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Applicazioni di microfluidica di gocce

CHIMICA Goccia come un microreattore

De Mello group, ETH Zurigo

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•Soft-litografia

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Spin-coating

UV exposure

Negative photoresist (SU8, NOA)

Positive photoresist (Microposit)

Photolithography

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Microfabrication - Double replica molding

1st Replica with PDMS PDMS

PDMS PDMS PDMS

Master Master Master Negative replica

Peel off Curing

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

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Microfabrication – examples of closed channels

50mm

50mm

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Microfabrication – Micro contact printing

functionalization

substrate

PDMS

Solution of the molecule to transfer

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100 mm

100 mm

Microfabrication – examples of patterned surfaces

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Fabrication of polyesther-toner T-junctions

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Piccin et al., under review Lab Chip

Polyesther-toner T-junctions

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Piccin et al., under review Lab Chip

Contact angle meter

Nikon TI microscope

ZOOM LENS

SAMPLE STAGE

MIRROR

LED LIGHTS

CAMERA

SYRINGE PUMP

LED LIGHTS

SAMPLE HOLDER

CAMERAS

Optical setups

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•Risultati

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Generatore di gocce: giunzione a T

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Produzione di treni di gocce

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Generations of droplets in PeT T-junctions

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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

Interazione gocce-ostacoli

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Sliding droplets

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Gocce in moto su superfici strutturate

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Dynamical regimes

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Varagnolo et al., PRL2013

30 ml 40 ml

Mean velocity

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2D numerical analysis drops sliding on stripes

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Varagnolo et al., PRL2013

Drops sliding on triangular hydrophobic patterns

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Varagnolo et al., subm. to Langmuir

Comparison patterns

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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

Droplets under vibrations

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Moto gocce indotto da vibrazioni

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Diagramma di fase dinamico

Quagliati, Tesi 2013

Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

Diagrammi di fase dinamici

Quagliati, Tesi 2013

Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

Resonance modes

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Simulazione numerica

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Courtesy Prof. Casciola, La Sapienza

Simulazione numerica

Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

Quagliati, tesi 2013

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

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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

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

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