ldb convergenze parallele_17
TRANSCRIPT
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
Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
•Soft-litografia
•Microfluidica
Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
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
Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
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
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
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
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
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~1μm, u~50 μm/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 è preservato • Veloce mixing
Ecotekne, Lecce, 10/9/2013
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
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 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
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 (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
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 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
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
Ecotekne, Lecce, 10/9/2013