Sviluppo di un sistema microfluidico per lo studio della termoforesi con tecniche di correlazione ottica

During my master thesis work, fruit of the cooperation between the Soft Matter Lab of the CMIC department and the ultrashort laser pulses Micro-Fabrication Lab of Politecnico di Milano, we've designed and built an experimental setup to observe and measure the Soret effect in a microfluidic device. Soret effect, e.g. the solute motion induced by a thermal gradient, even if known since two centuries, offers many unresolved theoretical challenges. Current science about thermophoresis are limited to the linear regime with low applied thermal gradients. Almost unknown is the high gradients regime: the question: ``Does a non-linear thermophoresis regime actually exist?'' still has no answer. The subject is interesting both for theoretical and practical reasons as the effect can be used in novel separation techniques in microfluidical technologies. In this area of interest, PDMS shows great experimental limits, mostly due to its low thermal conductivity. On the opposite fused silica devices allow us to impose much greater gradients and to use other types of solvents not compatible with PDMS. During this work, we made several devices in wich we can impose a 0.2 °C/micrometers. The analysis of the thermophoretic motion has been possible due to the development of a new optical correlation technique able to measure the colloidal suspension concentration in a microfluidic channel with a spatial resolution smaller than 1 micrometer. This technique doesn't require fluorescent dyes, giving the possibility to use it with a pletora of samples. When the gradients are so high it is important to consider the convective motions, usually neglected. Using a finite elements modelization. This thesis' results validated the new optical techniques and showed us benefits and criticalities of the adopted solutions, leading to a new way of thinking for the development of more effective circuits.

In questo lavoro di tesi, svolto in collaborazione tra il lab Soft Matter del Dipartimento CMIC ed il laboratorio di Micro-Fabbricazione con impulsi laser ultrabrevi del Dip. di Fisica, abbiamo progettato e realizzato un setup sperimentale per misurare la termoforesi, noto anche come effetto Soret, in un chip microfluidico. L'effetto Soret, ovvero il moto di un soluto indotto dalla presenza di un gradiente termico, seppur noto da più di un secolo, presenta molte sfide teoriche ancora irrisolte riguardanti la fisica di base sottostante. Allo stato attuale lo studio della termoforesi si è limitato al regime lineare di deboli gradienti di temperatura. Quasi completamente inesplorato è invece il regime con elevati gradienti di temperatura: la domanda ``Esiste un regime non lineare in termoforesi?'' non ha ancora una risposta. Risolvere la questione, oltre ad un grande interesse teorico, può portare a nuove tecniche di separazione in microfluidica. In tale ambito, tuttavia l'uso del PDMS pone seri vincoli sperimentali, in gran parte dovuti alla sua bassa conducibilità termica. Al contrario circuiti in fused silica permettono di instaurare gradienti di temperatura molto maggiori, nonchè di utilizzare solventi non compatibili con il PDMS. In questa tesi abbiamo realizzato diversi circuiti in cui è possibile imporre gradienti dell'ordine di 0.2 °C/ micrometro. L'analisi del moto termoforetico è stata possibile tramite lo sviluppo di una nuova tecnica ottica di correlazione in grado di misurare la concentrazione di una soluzione colloidale all'interno di un microcanale con risoluzione spaziale inferiore ad 1 micrometro. Tale tecnica non richiede l'uso di soluzioni fluorescenti e pertanto è applicabile ad una grande quantità di campioni. Dati gli intensi gradienti di temperatura prodotti è risutato fondamentale valutare gli effetti convettivi, usualmente trascurati, tramite l'uso di modellizazione agli elementi finiti. I risultati di questa tesi, oltre ad avere validato la nuova tecnica ottica, hanno messo in evidenza luci ed ombre delle soluzioni adottate, portando ad una serie di linee guida per lo sviluppo di circuiti più efficienti.