Microfluidic Devices: Compact Laboratories from Design to Application

Questa tesi è un riassunto delle più rappresentative attività sperimentali svolte dall’autore nel triennio 2009-2011 presso i laboratori del dipartimento di scienze chimiche dell’università di Padova, sotto la supervisione del prof. M. Maggini. Il filo conduttore che lega le tematiche toccate dal presente lavoro è la tecnologia microfluidica, intesa come insieme di tecniche per la manipolazione dei fluidi su scala micrometrica. Tale manipolazione avviene all’interno di microcanali, ambienti confinati nello spazio la cui geometria può essere sfruttata per ottimizzare operazioni unitarie – quali il mescolamento e il trasferimento di calore – di profondo interesse dal punto di vista chimico. Una porzione importante di questo elaborato è dedicata alle tecniche di microfabbricazione per la prototipizzazione rapida di chips microfluidici, un tema sviluppato costantemente durante tutto l’internato di tesi. I protocolli sviluppati per la fabbricazione di interfacce con l’ambiente esterno, di microcanali e di elettrodi, sono riportati punto per punto e commentati in modo da permetterne una fedele riproduzione. Due tecniche largamente sfruttate sono la fotolitografia “soft” e l’embossing. La prima si basa sulla fotopolimerizzazione di resine commerciali (in particolare di tipo tiolenico), utilizzando una maschera disegnata al computer e stampata su acetato per imprimere un disegno sul materiale polimerico e ricavarne quindi dei canali. La seconda prevede l’uso di un plotter da taglio per lavorare materiali quali nastri biadesivi o film di cera dai quali ricavare direttamente le microstrutture desiderate. La resina tiolenica commerciale NOA è anche al centro di due lavori sperimentali riguardanti gli aspetti più chimici della prototipizzazione: la resistenza ai solventi e la bagnabilità. Fra i requisiti principali di un materiale per la fabbricazione di reattori chimici, c’è senz’altro la resistenza ai solventi utilizzati nelle sintesi per cui il reattore stesso deve essere utilizzato. Nonostante la resina in oggetto presenti caratteristiche di compatibilità interessanti, soprattutto se confrontata con altri materiali tipicamente usati in microfluidica, quali il poli(dimetilsilossano), la sua resistenza verso i solventi alogenati non ne consente un ampio uso in ambito sintetico. La deposizione di uno strato di silice, ad ogni modo, ha permesso di aumentare la sua resistenza, pur non rendendola completamente resistente. Altra caratteristica importante, in quanto controlla l’interazione fra solvente e superficie interna del reattore è la bagnabilità. Nel caso del NOA, si dimostra come essa possa essere controllata derivatizzando la resina grazie alla condensazione dei gruppi idrossili superficiali con derivati triclorosilani. La possibilità di produrre rapidamente dispositivi microfluidici ha portato allo sviluppo di varie applicazioni, le più interessanti delle quali sono descritte nella terza parte della tesi. Innanzitutto viene dimostrato come un elegante dispositivo fabbricato con un materiale ceroso molto comune come il Parafilm, possa essere utilizzato per la sintesi parallela di diversi coloranti diazoici attraverso una sintesi multistep che prevede la produzione in ambiente confinato di un intermedio potenzialmente esplosivo come un sale di diazonio. In seguito viene descritta l’applicazione di una cella a flusso interfacciata a uno spettrofotometro, con cui si possono ricavare interessanti informazioni sulle cinetiche di adsorbimento di sensibilizzatori sulla superficie dell’ossido di titanio. Tale processo è di interesse generale, essendo alla base della produzione delle celle fotovoltaiche a colorante organico. La trasparenza ottica della resina tiolenica NOA viene poi sfruttata per condurre reazioni fotochimica all’interno di canali microfluidici fabbricati in questo materiale. Luci monocromatiche “fredde” LED vengono qui usate per direzionare il fenomeno di crescita di nanostrutture metalliche, producendo nanoparticelle di forma e dimensioni controllate. La possibilità di fabbricare elettrodi direttamente all’interno di canali ha avuto come sbocco naturale la costruzione di dispositivi per elettrochimica. Quello presentato in questa tesi è stato progettato per compiere misure di spettroscopia elettrochimica di impedenza e ne viene presentata la fabbricazione e la caratterizzazione elettronica di base. L’ultima parte della tesi riporta gli studi cinetici relativi a due importanti reazioni nell’ambito della chimica dei fullereni: la cicloaddizione di speci 1,3-dipolari alla gabbia fullerenica (reazione di Prato-Maggini) e la reazione di ciclopropanazione con derivati bromomalonati (reazione di Bingel-Hirsch). L’interesse dietro a questi studi è duplice: da un lato studiare queste reazioni fornisce dati interessanti per un confronto critico fra la chimica condotta in flusso e quella condotta con tecniche tradizionali, d’altra parte studi di tipo cinetico su queste due reazioni non sono presenti in letteratura nonostante l’indiscussa utilità delle reazioni suddette.