Trapping of microsized dyed polystyrene particles using light-induced convective flows

The driving force of this thesis work is the study of colloidal systems and their controllability over time. In modern science, colloidal science is an important cutting edge topic because colloidal systems are present in every day life and play a primary role both in industrial and laboratory contest. They can in fact be used in many ways because of their great exposed surface area and properties, giving rise to a wide range applicability in terms of materials’ realization, transport of molecules and chemical species etc. This leads to need very controllable and tuneable systems in order to exploit colloids’ properties in a desired way, implying both a control over time, and a local control of colloidal particles. In this framework find place the great topic of manipulation of colloidal particles. The working principle is the application of an external stimulus on the colloidal system in order to induce physical and chemical transformations inside it, thus generating colloidal particles motion and manipulation. There is a wide range of techniques available, which differ from one another for the supplied stimulus, or the required properties of the colloidal system in order to perform the manipulation. This can be useful for example in order to control particles’ organization in order to guarantee the selective release of substances, or in order to control materials’ properties strongly and reversibly. It is also possible to exploit manipulations’ techniques in order to force the particles to move in a desired way, or even to trap them, to perform their separation from the surrounding medium. What has been done in this thesis is to study a specific colloidal systems of microsized dyed polystyrene particles, in order to perform their trapping by using an external luminous stimulus, supplied to the system by a fluorescent lamp. The light is therefore absorbed by the dyed particles, inducing then their heating and the temperature gradients around them, with consequent generation in the water solvent of convective flows that drag them towards the centre of the light beam. This study has been conducted both from an experimental point of view, and a theoretical point of view, in terms of numerical simulation. Following a step by step method, the main result of the work has been the determination of the trapping phenomenon’s nature, which has been realized providing multiples experimental evidences. After this experimental phase, the model describing the system has been realized, in order to have a final confirm of the obtained experimental results.

La forza motrice del presente lavoro di tesi è stato lo studio dei sistemi colloidali, e della loro controllabilità nel tempo. Nella scienza moderna, lo studio dei sistemi colloidali è un argomento di fondamentale importanza dal momento che tali sistemi sono presenti nella vita di tutti i giorni, rivestendo un ruolo di primaria importanza sia in ambito industriale che di laboratorio. Essi possono infatti essere impiegati in molti modi in virtù delle loro proprietà, quali l’enorme area superficiale esposta, dando luogo ad una grande applicabilità, che va dalla realizzazione di materiali con proprietà innovative, al trasporto controllato di molecole e specie chimiche, e molto altro ancora. Alla luce di ciò risulta fondamentale disporre di sistemi colloidali altamente controllabili in modo da sfruttarne le proprietà nella maniera desiderata, sia nel tempo, che localmente. In questo contesto, trova applicazione il vasto mondo della manipolazione dei sistemi colloidali. Il principio fondante risulta essere l’applicazione di un certo stimolo esterno al sistema, in modo da indurre trasformazioni fisiche e/o chimiche al suo interno, controllando in questo modo il comportamento delle particelle colloidali. Esiste un vasto numero di tecniche disponibili a tale scopo, differenti l’una dall’altra per quanto riguarda il tipo di stimolo applicato al sistema, e per le proprietà del sistema stesso, richieste per effettuarne la manipolazione. Queste tecniche risultano utili per esempio per controllare l’organizzazione locale delle particelle, in modo da garantire il rilascio mirato di sostanze, o in modo da controllare in maniera spinta, e reversibilmente, le proprietà di un materiale. È anche possibile sfruttare le tecniche di manipolazione per forzare la particelle a muoversi nella maniera desiderata, arrivando anche ad intrappolarle, separandole quindi dal solvente in cui sono disperse. Ciò che è stato fatto in questa tesi, è stato lo studio di uno specifico sistema colloidale costituito da particelle colorate di polistirolo di dimensioni dell’ordine del micron, realizzando la loro manipolazione per intrappolamento mediante somministrazione di uno stimolo luminoso fornito mediante una lampada a fluorescenza. La luce viene assorbita dalle particelle colorate, causando la formazione di gradienti di temperatura attorno ad esse, e quindi la nascita di correnti convettive nel solvente. Queste correnti trasportano le particelle verso il centro del fascio luminoso, provocando quindi il loro intrappolamento. Questo studio è stato condotto sia sperimentalmente che da un punto di vista della simulazione del sistema, mediante l’elaborazione di un modello dedicato a descriverlo. Seguendo un approccio progressivo, il risultato ottenuto è stato quello di determinare la natura del fenomeno di intrappolamento studiato, fornendo molteplici e coerenti prove sperimentali. Dopo questa fase di sperimentazione, è stato realizzato il modello descrivente il sistema, in modo da avere una conferma finale dei risultati ottenuti.