Thermal acoustic flow inside ultrasound resonants

This thesis aims at investigating the interaction between thermal gradients and acoustic fields in microfluidic devices. In the research branch of acoustofluidics, which bridges together acoustics and fluid dynamics, inhomogeneity in the medium has gained great interest due to the novel physics behind and the potential in manipulating submicrometer particles. Concentration gradients of solute molecules have already been proven in previous studies to be effective means to obtain differences in fluid properties, such as density and compressibility, which induce acoustic body force and heavily affect the acoustic streaming. In this project another approach was taken, i.e. generating the inhomogeneity by thermal fields, to achieve a more stable and smooth variation in the thermophysical properties of the medium across the microchannel. The thesis work developed mainly in two subsequent phases. Firstly, a set-up which is able to generate and maintain a temperature gradient across a channel cross-section was designed, built, and then automated via software control. Secondly, this platform was tested with a glass-silicon-glass microfluidic chip, recording the fluid motion by tracking micrometric particles via extit{General Defocusing Particle Tracking} (GDPT) technique. This experiment was done for three conditions: only with thermal field, only with acoustic field and with the two combined. The results validate the effectiveness of the platform in generating and maintaining the thermal field and have a good agreement with literatures, although the acoustic field is undesirable due to the channel geometry flaws. The novelty of the project, i.e. the thermal-acoustic interaction, revealed itself to be quite complex. As predicted, high velocity fields were observed, associated with some unexpected flow behaviours, particularly along the length of the channel. Further measurements using a device with ideal channel geometry, together with a closer collaboration with the theoreticians who are able to explain the underlying physics, are needed to reveal the full picture of this novel phenomenon.

Il lavoro di tesi qui presentato riguarda l’acustofluidica ed intende investigare l’interazione tra campi acustici e termici in chip microfluidici. Questa applicazione nasce dall’osservazione che inomogeneità nei fluidi sono in grado di influenzare il moto indotto dal suono in un canale micrometrico. È consolidato in letteratura l’uso di gradienti chimici per variare le proprietà termofisiche dei fluidi, così da alterarne densità e comprimibilità. Questo, a seconda delle diverse situazioni, può causare rilocazione o stabilizzazione di fluidi tramite la cosiddetta acoustic body force. Si vuole quindi osservare come questa forza agisca su un fluido sottoposto ad un gradiente di temperatura. Il progetto è iniziato con il design e la successiva prototipazione di un supporto avente le qualità necessarie a generare e mantenere un gradiente di temperatura nella sezione trasversale di un canale. Poi la piattaforma è stata automatizzata, controllandola tramite interfaccia da PC. In seguito questa è stata testata su un dispositivo microfluidico. Il gradiente di temperatura è stato quindi caratterizzato ed il movimento del fluido è stato studiato tramite l’utilizzo di particelle micrometriche usate come traccianti. Le traiettorie 3D di quest’ultime sono state ottenute grazie al General Defocusing Particle Tracking (GDPT), in grado di fornire informazioni sulla profondità grazie ad un algoritmo di analisi d’immagini. Il tracciamento è stato effettuato in tre condizioni: con solo il gradiente di temperatura, con solo il campo acustico e con la combinazione dei due. I risultati ottenuti dimostrano la capacità della piattaforma progettata nel generare e mantenere un gradiente di temperatura nella sezione del microcanale. Inoltre, i dati sul moto generato dal campo acustico sono in accordo con la letteratura sull’argomento. Riguardo all’interazione tra i due campi, si è osservata una velocità del fluido molto elevata, con però degli strani fenomeni sviluppatosi nella lunghezza del canale. Il progetto necessita ancora di esperimenti in condizioni più standard per poter dare risposte certe agli interrogativi riguardanti l’interazione tra campo termico e acustico.