The Role of Interfaces in Microfluidic Systems: Oscillating Sessile Droplets and Confined Bacterial Suspensions

Questa tesi di dottorato prende in esame il ruolo delle interfacce che caratterizzano i sistemi microfluidici, come ad esempio l’interfaccia libera aria/acqua delle gocce o l’interfaccia liquido/solido di fluidi racchiusi in microcanali. Questo lavoro ha un duplice carattere: da una parte, abbiamo studiato la dinamica di gocce sessili soggette ad oscillazioni del substrato; dall’altra, abbiamo investigato come la distribuzione spaziale della concentrazione in sospensioni batteriche, prese come sistema modello per colloidi attivi, venga alterata da un confinamento geometrico. Dinamica di gocce sessili. Il primo argomento rientra nel campo dei fenomeni di bagnabilità e della microfluidica aperta, che tratta il comportamento di gocce, tipicamente nel range dei nano- /microlitri, depositate su superfici aperte. A tali scale di lunghezza, questi sistemi sono dominati dalla capillarità a possono produrre effetti inaspettati che non vengono comunemente osservati alle scale macroscopiche a cui siamo abituati. I nostri studi sono volti al raggiungimento del controllo attivo del moto e della forma delle gocce per mezzo di vibrazioni del substrato, con applicazioni dalla Chimica alla Biologia. In particolare, è stato considerato il moto di gocce su in substrato inclinato sottoposto ad oscillazioni armoniche verticali. Normalmente, su superfici inclinate le goccioline rimangono ferme a causa dell’isteresi dell’angolo di contatto. Quando vengono applicate oscillazioni verticali le goccioline si sbloccano e scivolano giù. Sorprendentemente, per ampiezze di oscillazioni sufficientemente grandi le goccioline si muovono verso l’atro contro la forza di gravità. Un’analisi della risposta delle gocce al variare dell’accelerazione di picco e della frequenza di oscillazione, prendendo in esame fluidi con diverse tensioni superficiali e viscosità, ha permesso il controllo del moto unidimensionale lungo il pianoinclinato. Inoltre, abbiamo studiato le morfologie interfacciali di gocce d’acqua confinate sulla faccia superiore idrofilica di post rettangolari con larghezza 0.5 mm e varie lunghezze. Per piccoli volumi, il film liquido prende la forma di un filamento omogeneo con una cross-section uniforme simile ad un segmento circolare. Per volumi più grandi, l’interfaccia acqua/aria forma un rigonfiamento centrale, che cresce con il volume. Nel caso di post più lunghi di una lunghezza caratteristica, la transizione tra le due forme al variare del volume discontinua e mostra la bistabilità dei due stati morfologici associata ad un fenomeno di isteresi. Applicando al post, con volume d’acqua fissato corrispondente alla bistabilità, vibrazioni verticali con determinate frequenze si più indurre una transizione irreversibile dallo stato di filamento omogeneo a quello rigonfiato. Particelle auto-propulse sotto confinamento geometrico. Il secondo argomento riguarda il comportamento di fluidi attivi, cioè sospensioni di colloidi auto-propulsi che costituiscono sistemi intrinsecamente fuori equilibrio (Materia Attiva). In particolare, in presenza di strutture geometriche, tali sistemi si comportano in modo molto differente rispetto a colloidi Browniani all’equilibrio. Abbiamo analizzato il ruolo di diversi schemi di motilità sulla distribuzione di concentrazione di sospensioni batteriche confinate tra due pareti solide. considerando E. coli a P. aeruginosa wild-type, che si muovono secondo gli schemi Run and Tumble e Run and Reverse, rispettivamente. I profili di concentrazione sono tati ottenuti contando i batteri motili a diverse distanze dalle pareti. In accordo con studi precedenti, si osservato un accumulo di batteri motili in prossimit delle pareti. Sono state testate diverse frazioni di batteri motili e diverse distanze di separazione tra le pareti, nel range tra 100μm e 250 μm. I profili di concentrazione risultano indipendenti dalla distanza tra le pareti e dai differenti schemi di motilità e scalano con la frazione di batteri motili. Questi risultati sono confermati da simulazioni numeriche, basate su una collezione di particelle allungate auto-propulse che interagiscono solo tramite interazioni steriche.