Ldb Convergenze Parallele_17

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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

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  • Micro/Nanofluidica

    Giampaolo Mistura

    Laboratorio di Fisica delle Superfici e delle Interfacce

    Dipartimento di Fisica G.Galilei, Universit di Padova

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • Outline

    Microfluidica

    Microfluidica di gocce

    Gocce su superfici strutturate

    Gocce soggette a vibrazioni

    Gocce in microcanali

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

    Soft-litografia

  • Microfluidica

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • Recente campo interdisciplinare dedicato alla manipolazione di micrometriche quantit di fluidi (l/nl range)

    Microfluidica

    Molti prevedono che limpatto dei chip microfluidici sulla chimica e sulla biologia sar 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

  • Portabilit

    Ottimo controllo del flusso

    Vantaggi nella miniaturizzazione fluidica

    Ridotti tempi di analisi e sintesi

    Piccolissime quantit di reagenti e scarti chimici

    Controllo accurato delle concentrazioni e delle interazioni molecolari

    Semplice realizzazione di processi parallelo

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • Sacro Graal

    Lab-on-a-chip

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

    I soldi contano Microfluidica su carta

    Whitesides group, Harvard University

  • Microelecttronica vs. Microfluidica

    Circuito

    Integrato

    Microfluidic

    chip

    Quantit trasportata Carica-No Massa Massa (no carica)

    Materiali del Chip Inorganici

    (semiconduttori)

    Organici

    (polimeri)

    Dimensione caratteristica canale

    ~100 nm ~100 m

    Regime di trasporto

    Simile ai circuiti macroscopici

    (classico, no quantistico)

    Diverso dai circuiti macroscopici

    (laminare, no turbulento)

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

    Re number classifica differenti regimi di flusso:

    Re2000 laminare

    Re>4000 turbolento

    In microfluidica: u ~0.1 m/sec 10 mm/sec, L~10 m 100 m; H2O v=/=0.01/1=0.01 cm

    2/sec

    Re=uL/v 10-6 101

    Numero di Reynolds

  • Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

    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~1m, u~50 m/sec

    Re~10-4 10-3

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • 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

  • Microfluidica di gocce

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • 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 preservato Veloce mixing

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • Droplet microfluidics

    Flows in microchannels occur at small Reynolds numbers

    U ~0.1 m/sec 10 mm/sec, L~10 m 100 m; H2O v=/=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=gW2/ Bo 10-3 10-1

    Capillary forces also dominate viscous forces

    Capilllary number Ca= U/ Ca 10-5 100

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • 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

  • 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 un circuito che esegue una operazione logica su uno o pi input logici e produce un unico output logico

    Poich loutput sempre un livello logico, loutput di una porta logica pu essere connesso allinput di una o pi porte logiche.

    Le operazioni fondamentali sono AND, OR, NOT e NOT

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • 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

  • Applicazioni microfluidica di gocce BUBBLE LOGIC

    Goccia come un Bit in logica microfluidica logic

    Prakash et al., Science 07

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • Applicazioni di microfluidica di gocce

    CHIMICA Goccia come un microreattore

    De Mello group, ETH Zurigo

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • Soft-litografia

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • Spin-coating

    UV exposure

    Negative photoresist (SU8, NOA)

    Positive photoresist (Microposit)

    Photolithography

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • Microfabrication - Double replica molding

    1st Replica with PDMS PDMS

    PDMS PDMS PDMS

    Master Master Master Negative replica

    Peel off Curing

    2nd Replica with PDMS (qY110) or NOA (qY70)

    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

  • Microfabrication examples of closed channels

    50mm

    50mm

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • Microfabrication Micro contact printing

    functionalization

    substrate

    PDMS

    Solution of the molecule to transfer

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • 100 mm

    100 mm

    Microfabrication examples of patterned surfaces

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • Fabrication of polyesther-toner T-junctions

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

    Piccin et al., under review Lab Chip

  • Polyesther-toner T-junctions

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

    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

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • Risultati

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • Generatore di gocce: giunzione a T

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • Produzione di treni di gocce

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • 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

  • Interazione gocce-ostacoli

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • Sliding droplets

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • Gocce in moto su superfici strutturate

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • Dynamical regimes

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

    Varagnolo et al., PRL2013

  • 30 ml 40 ml

    Mean velocity

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • 2D numerical analysis drops sliding on stripes

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

    Varagnolo et al., PRL2013

  • Drops sliding on triangular hydrophobic patterns

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

    Varagnolo et al., subm. to Langmuir

  • 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

  • Droplets under vibrations

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • Moto gocce indotto da vibrazioni

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • 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

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

  • Simulazione numerica

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

    Courtesy Prof. Casciola, La Sapienza

  • Simulazione numerica

    Ecotekne, Lecce, 10/9/2013

    Quagliati, tesi 2013

  • CONCLUSIONI

    Alle piccole scale, il comportamento di gocce dominato dalla capillarit

    In microcanali chiusi, la produzione e il moto di gocce pu 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

  • 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, Universit 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