Sviluppo di un apparato di correlazione ottica per lo studio della sedimentazione di particelle in presenza di gradienti termici

Thermophoresis and sedimentation are two areas of physics of great interest and great challenge. A deeper analysis of these phenomena, under the theoretical and experimental points of view, can lead to a great scientific and technological advance. The development of new optical techniques, and in a particular way of the Differential Dynamic Microscopy, allowed combining the advantages of both microscopic and scattering analysis, in order to realize new scientific experiments with simple and powerful optical instruments. This thesis work has analyzed the construction of a new experimental setup, which allows analyzing colloidal samples in several order of magnitude. In particular, multiple configurations of the optical instrument allow carrying out investigations ranging from the micrometre scale (using the microscopy configuration) to the characteristic scale of the cell used for the experiment, whose order of magnitude is in the order of millimeters or centimeters. In this second case, which has been analyzed in this work, it’s possible to go back, by the analysis of speckle fields with appropriate correlation techniques, to the behaviour of the particles, whose order of magnitude is below the resolution limit of the optical instrument. Colloidal samples of polystyrene (PS), of MFA and of PMMA have been analyzed in two different configurations, with the techniques above mentioned. The first cell has been used in horizontal configuration and is 600 μm thick, while the second one has been used in vertical configuration and is 5 mm thick. The temperature of the two cells has been monitored and controlled and thermal gradients have been applied to the system. The behaviour of the samples has been analyzed with correlation techniques and the velocity field of convective rolls that have grown up has been analyzed with digital programs. In the vertical cell the interaction between the convective rolls and the sedimentation processes have been studied.

Termoforesi e sedimentazione sono due ambiti del mondo fisico di grande interesse e di grande sfida. Un loro studio più approfondito, sotto i punti di vista teorico e sperimentale, può condurre a grandi passi in avanti nel mondo scientifico e tecnologico. Lo sviluppo di nuove tecniche ottiche di indagine, e in particolare della Differential Dynamic Microscopy, ha permesso di combinare i vantaggi dell’analisi microscopica e dello scattering e di realizzare così sperimentazioni con strumenti ottici semplici ma potenti. Il presente lavoro di tesi si è focalizzato sulla realizzazione di un nuovo apparato sperimentale che consenta l’analisi di campioni di natura colloidale in diversi ordini di grandezza che li caratterizzano. In particolar modo, diverse configurazioni dello strumento ottico permettono di effettuare indagini che vanno dalla scala micrometrica della particella (mediante la configurazione microscopica) alla scala caratteristica della cella presa in esame (nell’ordine di grandezza dei millimetri o dei centimetri). In questa seconda casistica, approfondita nel contesto del presente lavoro, è possibile risalire, mediante l’analisi dei campi speckle con opportune tecniche di correlazione, al comportamento delle particelle senza la necessità di avere uno strumento ottico la cui capacità risolutiva arrivi fino al loro ordine di grandezza. Secondo i principi ora esposti sono quindi state analizzate delle dispersioni colloidali di polistirene (PS), di MFA e di PMMA poste in due diverse celle: una orizzontale e spessa 600 μm, l’altra verticale e spessa 5 mm. Entrambe le celle erano dotate di strumenti di controllo e monitoraggio della temperatura, con la possibilità di instaurare dei gradienti termici e di studiare con le tecniche di correlazione il comportamento dei campioni. Sono quindi stati analizzati i campi di moto instauratisi all’interno delle celle e, nel caso della cella verticale, è stata valutata la loro interazione con i fenomeni di sedimentazione.