Femttosecond laser micromachining for nanoparticles fabrication and on-chip manipulation

During my master thesis work, I worked on the design optimization, fabrication and characterization of a microfluidic chip for thermophoresis experiments. The work has been carried on in collaboration with the Soft Matter Lab of the CMIC department where we ran experiments for thermophoresis analysis, while in the Ultrashort Laser Pulses Micro Fabrication Lab of Physics department we fabricated the chip used for those analysis. Although the phenomenon is known since the 19th century, in the last decade it’s gaining attention for its possible application as a particle separation method, as a matter of fact when we talk about thermophoresis we refer to a particle transport mechanism brought in by the presence of a thermal gradient. The devices used for these studies have been fabricated using the Femtosecond Laser Micromachining technique, which consists in irradiating a glass substrate with focused femtosecond laser pulses to induce modifications into the glass and selectively etch the irradiated path in a water-acid solution. Fused silica is the best option for this kind of fluidic chips because not only it allows small chip dimensions, but also because of its transparency, enables the analyses of thermophoretic movement through a transmission microscope. The sample concentration is then studied by means of the Differential Dynamic Microscopy technique (DDM), which enables to overcome the diffraction resolution limit with a standard laboratory microscope in a particular configuration. The use of this technique with high thermal gradient has permitted to verify the presence of convective motions (which are not a desirable situation) and highlighted the presence of an excessive roughness on the central channel interface which interferes with the measurements. For this reason part of my work has focused on the implementation of the channel used for the analysis. At the end of the work we were able to state the efficiency of DDM which has brought to know the concentration dependence on time with Polysterene particles and the related material Soret coefficient.

Durante la mia attività di tesi magistrale, mi sono occupato dell’ottimizzazione del design, della fabbricazione e caratterizzazione di un chip microfluidico per esperimenti di termoforesi. Il lavoro è stato portato a termine dalla collaborazione tra il laboratorio di Soft Matter del dipartimento CMIC (dove abbiamo eseguito gli esperimenti per analisi della termoforesi) e dal laboratorio di Ultrashort Laser Pulses Micro Fabrication del dipartimento di Fisica sperimentale (dove è stato fabbricato invece il dispositivo utilizzato per tali analisi). Benché il fenomeno sia noto sin dal XIX secolo, negli ultimi decenni sta acquisendo interesse per la sua possible applicazione come metodo di separazione di particelle, infatti quando parliamo di termoforesi ci riferiamo ad un meccanismo di trasporto di particelle che avviene in presenza di un gradiente termico. Il dispositivo utilizzato per questi studi è stato fabbricato mediante la tecnica di Fabbricazione Laser a Femtosecondi, che consiste nell’irradiare un substrato di vetro con impulsi laser focalizzati della durata di femtosecondi così da indurre modifiche nel vetro e selettivamente attaccare chimicamente il percorso di irraggiamento in una soluzione acida. Il fused silica è la migliore opzione per questo tipo di chip fluidici perché non solo permette di ottenerli con piccole dimensioni, ma anche per la sua trasparenza che permette analisi, tramite un microscopio a trasmissione, di spostamenti dovuti alla termoforesi. La concentrazione del campione è stata poi studiata per mezzo della tecnica di Differential Dynamic Microscopy (DDM) che permette di superare il limite di risoluzione per diffrazione con uno standard microscopio da laboratorio in una particolare configurazione. L’utilizzo di questa tecnica con un elevato gradiente termico ha permesso di verificare la presenza di movimenti convettivi (che non sono tuttavia un fenomeno desiderabile) e ha evidenziato la presenza di una eccessiva rugosità sull’interfaccia del canale centrale che interferisce con le misure. Per questa ragione parte del mio lavoro si è concentrata sull’implementazione del canale utilizzato per l’analisi. Alla fine di questo lavoro siamo stati in grado di affermare l’efficienza della DDM che ci ha portato a conoscere la dipendenza della concentrazione dal tempo con particelle di Polistirene ed il relativo coefficiente di Soret.