Generation of droplets in non-Newtonian liquids with a microfluidic T-junction

La microfluidica delle gocce è un recente settore di ricerca che mostra un grande potenziale per numerose applicazioni, tra cui analisi chimica e biologica, sintesi di materiali avanzati, cristallizzazione di proteine ed incapsulamento di cellule. Nella maggior parte delle applicazioni in campo biomedico, i fluidi di interesse sono non-Newtoniani. Il ruolo della reologia di questi ultimi nella formazione di gocce non è ancora compreso in modo soddisfacente, cosa fondamentale per la realizzazione di dispositivi microfluidici che devano manipolare tali fluidi. In questo lavoro è stato condotto uno studio sistematico sulla formazione di gocce in una giunzione a T microfluidica, mirato alla produzione di gocce Newtoniane sia in liquidi shear-thinning che in liquidi viscoelastici. Come liquidi shear-thinning sono state utilizzate soluzioni diluite e semi-diluite di Xanthan, un polisaccaride che ha una struttura rigida. Alle concentrazioni considerate, questo presenta un notevole comportamento shear-thinning, mentre gli effetti elastici diventato importanti solamente a concentrazioni più elevate. Il ruolo della elasticità è stato invece investigato utilizzando soluzioni di poliacrilammide (PAA), un polimero a catena lunga e flessibile. Al fine di isolare il comportamento elastico da quello shear-thinning, è stato preparato un fluido di Boger, ossia un fluido viscoelastico caratterizzato da viscosità costante, grazie ad una particolare scelta del solvente. I risultati preliminari degli esperimenti con il PAA mostrano che, nonostante la forma delle gocce formate nel fluido di Boger sia alterata rispetto a quella delle gocce formate nel corrispettivo liquido Newtoniano (con la stessa viscosità), non si osservano differenze nella taglia delle gocce, che non risulta quindi essere influenzata dall’elasticità. Al contrario, confrontando quantitativamente i dati Newtoniani con quelli shear-thinning, risulta che la taglia delle gocce riscala con un numero capillare efficace, che si riconduce all'usuale numero capillare quando entrambi i liquidi sono Newtoniani. A complemento degli esperimenti sistematici con Xanthan, simulazioni basate su Lattice-Boltzmann mostrano un buon accordo con i dati sperimentali e confermano lo scaling proposto.