Optical correlation techniques in gels and biological systems

Because their structural length scales are comparable to the wavelength of light, “soft” materials like colloidal sols and gels are suitable to be investigated by optical methods. While earlier structural and dynamic investigations have mostly relied on Static and Dynamic Light Scattering (SLS, DLS), in the past few years real-space visualization methods have provided novel insights about colloidal structures. By exploiting some concepts in Fourier and statistical optics, closely related to those on which DLS is based, a commercial microscope can be turned into a much more powerful instrument than a simple visualization tool. Two recently developed techniques, Photon Correlation Imaging (PCI) and Differential Dynamic Microscopy (DDM), have helped bridging the gap between real-space imaging and DLS, basically by measuring statistical fluctuations of the intensity on an image of the sample, and describing them in terms of correlation. In this work, by combining of the power of a well-established intensity correlation technique like DLS with standard microscope imaging, we have also developed a new velocimetry technique, called Ghost Particle Velocimetry (GPV). At variance with standard Particle Imaging Velocimetry (PIV), this new approach does not require to visualize and track the motion of particles with which the fluid under investigation has been “seeded” , but rather on imaging the speckle pattern generated by a flowing suspension of scatterers that can be much smaller than the resolution limit of an optical microscope. Because of spatial coherence properties of the illumination optics, GPV grants a rather good 3D spatial resolution of the velocity field even along the optical axis. A setup suitable to investigate much larger samples can also be obtained by simply illuminating the sample with a LED source, and collecting the transmitted light through a stopped-down optics. These very generic requirements allow to apply the technique to a large class of systems. We have exploited these optical correlation and velocimetry methods to investigate three distinct subjects in soft matter science. The first topic concerns gravity effects on colloidal gels. Aim of the investigation has been obtaining a comprehensive description of the restructuring kinetics under gravity of weak colloidal gels, generated by short-range attractive “depletion” forces, using a combination of several optical techniques, (DLS, PCI, polarimetry, and video imaging) allowing to access complementary information about the sample. We have individuated three distinct regions within the liquid-liquid coexistence region of the phase diagram where gel formation is observed. The diverse settling behavior of these three gel classes are described in the first part of the thesis. Optical correlation methods were then used to investigate ionic-bond polymer gels made of alginate, which typify a large class of bio-gels stabilized by non-covalent cross links. In order to understand the gelation kinetic and the subsequent restructuring effects, a detailed optical study of alginate gels, generated by slow perfusion of a curing agent (CaCl2), was performed using PCI. The gelling kinetics displays a peculiar non-diffusive behavior, and the subsequent restructuring of the gel structure shares several features in common with the aging of colloidal gels, in particular for what concerns the occurrence of heterogeneous dynamics effects. The know-how about alginate gelation we acquired was then exploited to develop a microfluidic circuit for the production of gel microcapsules. In the third part of this thesis, I have investigated systems of “self-propelling” particles, namely, concentrated suspensions of bacteria.. Concentrated bacterial suspensions often exhibit emergent patterns and self-organization that are not shared by “passive” systems, such as swarms and vortices, which shed light on the subtle interplay between hydrodynamic interactions, oxygen consumption, chemotaxis, diffusion of nutrients and mixing. We obtained a detailed characterization of bacterial flow patterns using GPV. In particular, we have investigated the effect of flow on a concentrated suspension in accurately controlled laminar flow conditions generated in a microfluidic channel. An intermittent-flow behavior was detected for suspensions of living bacteria and can be ascribed to the formation of coherent structure and local reduction of the solution viscosity.

La materia “soffice”, avendo lunghezze caratteristiche comparabile con la lunghezza d’onda della luce, si presta ad essere analizzata con metodi ottici. Mentre in passato l’investigazione dinamica e strutturale era affidata a tecniche di Scattering di Luce Statico e Dinamico (SLS, DLS), negli scorsi anni metodi di visualizzazione nello spazio reale hanno fornite nuove informazioni sulla strutture delle soluzioni colloidali. Grazie all’utilizzo di concetti mutuati dall’ottica statistica e di Fourier, che costituiscono anche le basi del DLS, è possibile portare la potenza di indagine di un microscopio ottico ben oltre la semplice visualizzazione. Due tecniche di recente invenzione, la Photon Correlation Imaging (PCI) e la Differential Dynamic Microscopy (DDM), hanno permesso di colmare il gap tra visualizzazione nello spazio reale e DLS, misurando le fluttuazioni dell’intensità in un’immagine del campione e descrivendole mediante le correlazioni. Nel presente lavoro, combinando il potere di una solida tecnica basata sulla correlazione, il DLS, e la visualizzazione standard con il microscopio, abbiamo sviluppato un’innovativa tecnica di velocimetria, chiamata Ghost Particle Velocimetry (GPV). A differenza della tecnica standard, la Particle Image Velocimetry (PIV), il nostro approccio non richiede di visualizzare e seguire le particelle traccianti, disperse nel fluido di cui si vuole seguire il movimento, ma di prendere delle immagini dello speckle pattern generato dalla sospensione di centri diffusori, che possono essere più piccoli della risoluzione del microscopio. Grazie alle proprietà di coerenza ottica dell’illuminatore, la GPV garantisce una buona risoluzione spaziale 3D anche nella direzione dell’asse ottico del campo di velocità. E’ inoltre possibile costruire un apparato adatto a investigare campioni di dimensioni superiori, illuminando il campione con una sorgente LED e raccogliendo la luce trasmessa attraverso un’ottica diaframmata. Le limitate esigenze della tecnica la rendono applicabile a molteplici sistemi. Abbiamo, infatti, utilizzato tecniche di correlazione ottica e metodi di velocimetria per investigare tre diversi sistemi nell’ambito della materia soffice. Il primo argomento riguarda gli effetti della gravità su gel colloidali. Lo studio è volto all’ottenimento di una descrizione globale della cinetica di ristrutturazione indotta dalla gravità nei gel colloidali, generati da forze di svuotamento a corto raggio, mediante l’utilizzo di molteplici tecniche ottiche (DLS, PCI, polarimetria e visualizzazione), che danno accesso a informazioni complementari sul campione. Abbiamo individuato tre distinte classe nella regione di coesistenza liquido-liquido del diagramma di fase, in cui si osserva la formazione del gel. Il diverso comportamento di queste tre classi di gel sono descritte nella prima parte della tesi. I metodi di correlazioni ottica sono utilizzati per l’investigazione gel polimerici con legami ionici, composti da alginato, che modellizza adeguatamente un’ampia classe di bio-gel stabilizzati da legami non covalenti. Per comprendere la cinetica di gelazione e la seguente ristrutturazione, è stato svolto un dettagliato studio ottico dei gel di alginate mediante la PCI, generati da una lenta perfusione con cloruro di calcio. La cinetica di gelazione mostra un peculiare effetto non diffusivo, e la seguente ristrutturazione ha diverse caratteristiche in comune con l’evoluzione strutturale dei gel colloidali, in particolare per ciò che riguarda la presenza di effetti di eterogeneità dinamica. La conoscenza riguardante la gelazione dell’alginato acquisita è stata sfruttata per sviluppare un circuito di microfluidica per la produzione di microcapsule. Nella terza parte della tesi, ho studiato sistemi di particelle mobili, ossia di sospensioni batteriche concentrate. Tali soluzioni esibiscono schemi e auto-organizzazione, che non sono rilevabili nei sistemi passivi, come vortici e jet, che mettono in luce la relazione le interazioni idrodinamiche tra consumo di ossigeno, chemiotassi e la diffusione dei nutrienti. Abbiamo ottenuto una caratterizzazione dettagliata delle strutture di flusso create in tali sospensioni grazie alla GPV. In particolare, abbiamo studiato l’effetto del flusso su una sospensione batterica in condizioni di flusso laminare generate in un canale microfuidico. Tali misure hanno messo in luce un comportamento di flusso intermittente per sospensioni di batteri mobili, che può essere attribuito alla creazione di strutture coerenti e ad una riduzione locale della viscosità.