Numerical analysis of standing surface acoustic wave based acoustophoresis

The manipulation of particles and bio-particles in a fluid is a fundamental operation in biomedical and biochemical research. Microfluidic technology offers several advantages such as low cost, lower sample consumption and the possibility to integrate different components on a single chip to perform different operations. Several techniques have been developed so far. A relatively recent research field is to combine microfluidics with other disciplines to achieve better control in particle manipulation. This work focused on acoustofluidics that exploits the use of acoustic waves applied to the microfluidics to generate acoustic radiation forces able to manipulate particles and bio-particles. Among the different types of acoustic waves used, standing surface acoustic waves (SSAWs) have been chosen. Particles in a standing acoustic field are moved towards specific points named pressure nodes, under the action of the acoustic radiation force. This thesis is aimed to the study of acoustophoresis (particle migration by sound) in a SSAW-based device. A numerical approach has been adopted to investigate the focusing of particles in the pressure nodes due to the acoustic radiation force. First of all, a reference model of a SSAW-based device has been taken from literature and the numerical procedure has been adopted. The device is constituted by a polydimethylsiloxane (PDMS) microfluidic channel placed over a piezoelectric substrate with interdigital transducers (IDTs). Different two-dimensional sections have been studied with a frequency and time domain analyses. The focusing of particles in pressure nodes driven by the action of the acoustic radiation force has been demonstrated. Moreover, the formation of the SSAW inside the channel has been verified with a time domain analysis. Then, a three-dimensional analysis has been done to investigate the deviation in particle trajectories in a three-dimensional case. To conclude, possible further developments have been proposed.

La manipolazione di particelle e bioparticelle in un fluido è un’operazione importante nel campo di ricerca biomedico e biochimico. La microfluidica offre diversi vantaggi come bassi costi, minimo consumo di campioni e la possibilità di integrare diversi componenti in un singolo chip per svolgere diverse operazioni. Diverse tecnologie sono state sviluppate finora e un recente campo di ricerca si propone di combinare la microfluidica con altre discipline per ottenere una maggiore efficienza nella manipolazione di particelle. Questo lavoro si è concentrato sullo studio dell’acoustofluidica che impiega onde acustiche in componenti microfluidici per generare delle forze acustiche di radiazione per la manipolazione di particelle e bioparticelle. Tra i diversi tipi di onde acustiche impiegate, le onde acustiche di superficie stazionarie sono state scelte. Le particelle immerse in un campo acustico stazionario sono concentrate in zone specifiche dette “nodi di pressione”, per l’effetto della forza acustica di radiazione. In questa tesi lo studio del fenomeno dell’acustoforesi (moto delle particelle a causa di onde acustiche) è stato studiato in un dispositivo basato su onde acustiche di superficie stazionarie. Uno studio numerico è stato fatto per investigare la concentrazione delle particelle nei nodi di pressione per effetto della forza acustica di radiazione. Dapprima, un modello di riferimento presente in letteratura è stato considerato per impostare le analisi numeriche. Il dispositivo è costituito da un microcanale in PDMS posto tra due trasduttori interdigitali su un substrato piezoelettrico. Due diverse sezioni 2D sono state studiate con un’analisi in frequenza ed in transitorio. La concentrazione delle particelle nei nodi di pressione per effetto della forza acustica di radiazione è stata dimostrata. Inoltre, la formazione dell’onda acustica di superficie stazionaria all’interno del canale è stata verificata con un’analisi in transitorio. In seguito, un’analisi 3D è stata fatta per studiare l’effetto della forza acustica sulle traiettorie delle particelle nel caso tridimensionale. Infine, i possibili sviluppi futuri sono stati proposti.