Tecniche di correlazione ottica in microfluidica

During my Master Thesis I've studied and developed an innovative method of microscopy, the Differential Dinamic Microscopy (DDM). This technique permit to measure the movement of objects with dimension smaller than the microscope resolution, bypassing the limit set by diffraction. This technique requires a very simple setup: in order to perform DDM we need only a microscope equipped with a digital camera and a programme for the digital analysis of the images. In colloidal solutions particles are subject to Brownian motion, which has a velocity described by the diffusion coefficient. Through DDM is possible to measure the diffusion coefficient of the particles and to calculate the particle dimension, which is related to it through the Stokes-Einstein equation. The possibility of studying the particle movement thought DDM lead us to use the basic principle of this technique in order to implement a new velocimetry method. Velocimetry is a measure of the fluid velocity and is really useful in fluidodynamic problems. The advantages offered by our techique are the possibility of using really small tracers (less than 100 nm), in order to leave the flux unperturbed, and the microscope limited depth of focus, which permits to measure the flux velocity in small volumes of fluid. These measures are performed in microfluidic circuits. Microfluidic is a research field recently developed in the Soft Matter Lab, which allow to manipulate and transport really small quantity (nano-pico liter)of liquid. One of the advantages offered by colloidal suspension is the possibility to control the interaction forces between particles and to induce phase transition, marked by a spinodal decomposition. The spinodal decomposition is associated whit an increase in the correlation length of the solution. The presence of a length which characterizes the transition evolution, allow to use DDM to study systems subject to a transition.

Lo scopo della mia tesi è stato lo studio e l'ampliamento del campo di utilizzo di una tecnica di microscopia innovativa, la Differential Dynamic Microscopy (DDM). La tecnica consente di misurare, utilizzando un microscopio ottico convenzionale equipaggiato con una telecamera e un programma di analisi digitale delle immagini, il movimento di oggetti con dimensioni inferiori alla risoluzione del microscopio, aggirando il limite posto dalla diffrazione. Nelle soluzioni colloidali le particelle sono soggette al moto browniano, la velocità del quale è descritta quantitativamente dal coefficiente di diffusione. Attraverso la DDM è possibile misurare il coefficiente di diffusione delle particelle e risalire, quindi, alla dimensione della specie diffondente attraverso la relazione di Stokes-Einstein. La possibilità di studiare il movimento di particelle mediante la DDM ci ha indotto a utilizzare il principio base della tecnica per implementare un'innovativa tecnica di velocimetria. La velocimetria è una misura della velocità del fluido ed è di grande utilità nella risoluzione di problemi di fluidodinamica. Il vantaggio presentato dalla tecnica da noi sviluppata consiste nella possibilità di usare un tracciante di dimensioni molto piccole (100 nm), che non perturba il flusso, e nella profondità di fuoco limitata del microscopio, che consente di conoscere la velocità in volumi limitati di fluido. Le misure di velocimetria sono state svolte in circuiti di microfluidica, un campo di ricerca recentemente sviluppato nel Laboratorio di Materia Soffice, che si interessa alla manipolazione e al trasporto di piccolissime quantità (nano-picolitri) di liquido. Le soluzioni colloidali offrono la possibilità di controllare le forze di interazione tra le particelle e indurre delle transizioni di fase, segnate da una decomposizione spinodale. La decomposizione spinodale è associata ad un aumento della lunghezza di correlazione della soluzione. Dal momento che esiste una lunghezza che caratterizza l'evoluzione della transizione di fase, la DDM è stata applicata allo studio dei sistemi in cui è in corso una transizione.