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Tecniche di reologia in dispositivi microfluidici

Informazioni tesi

  Autore: Filippo Dall'Armellina
  Tipo: Laurea liv.I
  Anno: 2009-10
  Università: Università degli Studi di Padova
  Facoltà: Scienze Matematiche, Fisiche e Naturali
  Corso: Scienze e tecnologie fisiche
  Relatore: Matteo Ambrogio Paolo Pierno
  Lingua: Italiano
  Num. pagine: 25

L'obiettivo della tesi è l'implementazione e lo sviluppo di una tecnica per la caratterizzazione della reologia dei fluidi non newtoniani all'interno di microcanali. Il fluido utilizzato è una sospensione di nanoparticelle polimeriche (microgel), fatto scorrere in dispositivi realizzati con tecniche di soft-litografia. Lo studio è stato condotto per mezzo della micro-PIV (micro particle image velocimetry), tecnica che permette di ricostruire il profilo di velocità del flusso nel canale. L'analisi del profilo permette di caratterizzare la relazione tra tasso di deformazione e sforzo tangenziale applicato.

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INTRODUZIONE La microfluidica è uno degli esempi più rilevanti di quella fertilizzazione incrociata della scienza che J.C. Maxwell auspicava. Essa infatti interessa numerose discipline scientifiche, come chimica, biologia molecolare, farmaceutica, medicina e ingegneria e per questo motivo suscita un grande interesse anche nel settore industriale. L’aspetto fondamentale della microfluidica, a cui deve anche il nome, è la manipolazione di quantità molto ridotte di liquidi, dai nano ai picolitri, con un controllo molto preciso dei parametri del fluido, grazie all’utilizzo di dispositivi costituiti da canali di dimensioni micrometriche. L’applicazione più rilevante è il cosiddetto Lab-on-a-Chip [4], un singolo apparato di pochi centimetri quadrati in grado in svolgere più attività di laboratorio, come analisi o sintesi di sostanze. I vantaggi di questa miniaturizzazione sono evidenti: riduzione dei tempi necessari allo svolgimento delle reazioni potendone eseguire molte contemporaneamente, riduzione delle quantità di reagenti utilizzati e di conseguenza dei costi, riduzione degli scarti prodotti dalle reazioni. Fisicamente, la conseguenza principale della miniaturizzazione dei canali è l’aumento notevole del rapporto tra superficie e volume: se si considera un capillare di sezione quadrata, passando da un lato di un centimetro a 100 nullnull il rapporto tra superficie e volume aumenta cento volte. Un ruolo fondamentale lo giocano quindi gli effetti di superficie, che influenzano in modo determinante il flusso. Lo studio della reologia di fluidi non-newtoniani va proprio ad indagare le modifiche delle proprietà di scorrimento ad opera degli effetti di superficie. Fluidi non-newtoniani sono ad esempio le soluzioni di polimeri o i cristalli liquidi. La reologia di questi fluidi è già da tempo studiata per l’elevato interesse che suscita sia in molte applicazioni commerciali che nel campo biomedico e farmaceutico [9]. Il principale interesse sta nel caratterizzare la risposta del fluido agli sforzi imposti dall’esterno: dalla determinazione delle proprietà di scorrimento si può risalire alla viscosità, una delle principali caratteristiche di un fluido. Per ricavare queste informazioni è necessario ricostruire il profilo di velocità del flusso. L’obiettivo del lavoro di tesi è l’implementazione e lo sviluppo di una tecnica per la caratterizzazione della reologia di fluidi non-newtoniani all’interno di microcanali. Per questo si è utilizzata una sospensione di nanoparticelle polimeriche reticolate (detta microgel). Lo studio è stato condotto grazie alla null -PIV, micro-Particle Image Velocimetry, tecnica di velocimetria che consiste nel realizzare una serie di fotogrammi di traccianti fluorescenti dispersi nel fluido a determinati intervalli temporali, in modo da ricostruire il profilo di velocità del flusso [3]. Dal profilo si ottengono così le informazioni necessarie alla caratterizzazione della relazione tra tasso di deformazione e sforzo tangenziale [5][10][12].   5   

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Parole chiave

fluidodinamica
strain
nanoparticelle
velocimetria
litografia
piv
microfluidica
microgel
micro-piv
shear stress

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