Local Fluidization of Concentrated Emulsion in Microfluidic Channels Textured at the Droplet Scale

La reologia dei sistemi soffici, quali emulsioni concentrate, schiume, gel, fanghi, vetri colloidali ha un grande impatto in ambito scientifico e ingegneristico. Gran parte del fascino di questi sistemi deriva dal fatto che essi non si collocano in nessuno dei tre stati base della materia, gas-liquido-solido, ma si posizionano ai limiti di ciascuna di esse. Per comprendere il meccanismo con il quale questi materiali scorrono è necessario osservare la dinamica dei loro costituenti (gocce per le emulsioni, bolle per le schiume, etc.) su scala microscopica. Infatti, il flusso è caratterizzato da una successione di deformazioni elastiche e riarrangiamenti plastici. Questi, creano delle regioni a maggior ``fluidità” in cui il materiale scorre. Il processo di fluidizzazione degli Soft Glassy Materials (SGMs) è fortemente influenzato dalla presenza di rugosità sulla superficie con cui sono a contatto, tuttavia il ruolo giocato dalla periodicità, l’orientazione e la forma degli elementi che costituiscono questa rugosità non è ancora stato del tutto compreso. Infatti, prevedere e controllare il flusso di questi SGMs è fondamentale in numerose applicazioni tecnologiche che vanno dall'industria alimentare a quella farmaceutica. In questo lavoro di tesi abbiamo studiato il flusso di emulsioni concentrate in canali microfluidici. Questi ultimi presentavano una rugosità controllata, su scala micrometrica, posizionata sul fondo del canale. Utilizzando come micro-rugosità una sequenza di ``grooves" (solchi) posti ortogonalmente al flusso, abbiamo osservato che la fluidizzazione indotta dipende dalla densità e dalla periodicità dei solchi. Ne consegue che, la fluidizzazione può essere controllata e regolata in modo quantitativo agendo sulla spaziatura di questi solchi. Inoltre, abbiamo osservato l’esistenza di due scenari con meccaniche di riarrangiamento differenti. Quando la spaziatura dei solchi è grande, rispetto alla dimensione delle gocce, queste colpiscono gli ostacoli e facilmente riarrangiano andando ad interagire con altre gocce vicine. Al contrario, riducendo lo spazio tra i solchi, le gocce ve ne rimangono intrappolate creando uno strato di ``rugosità soffice" creando a loro volta una nuova serie di ostacoli deformabili. Con l’introduzione di rugosità dalla geometria asimmetrica (a spina di pesce) abbiamo osservato che, anche il flusso all’interno del canale presenta un comportamento non simmetrico. L’emulsione, infatti, scorre più velocemente nello stesso verso della spina di pesce, rispetto a quando scorre nel verso opposto. Le nostre osservazioni sperimentali sono e supportate e confermate da simulazioni lattice Boltzmann. Queste simulazioni, cruciali per evidenziare le variazioni nella distribuzione spaziale dei riarrangiamenti plastici, sono un potente mezzo per studiare e comprendere le micro-dinamiche che portano alla fluidizzazione del materiale.