Scivolamento di gocce d’acqua su superfici chimicamente microstrutturate soggette a vibrazioni verticali

La strutturazione di superfici è molto comune in dispositivi microfluidici per controllare e manipolare i flussi. Recentemente, nel nostro laboratorio è stato osservato un moto stick-slip di gocce d’acqua su una superficie che presentava un’alternanza di strisce parallele idrofobe e idrofile di larghezza pari a qualche decina di micron [1]. Inoltre, rispetto a una superficie omogenea idrofoba, il moto di gocce d’acqua su queste superfici chimicamente eterogenee è rallentato di un fattore superiore a 10. In questa tesi, il candidato studierà la dinamica di gocce su superfici eterogenee inclinate di un certo angolo e soggette a vibrazioni verticali. Ci si aspetta di trovare un moto uniforme per accelerazioni verticali superiori a un certo valore. In questo modo, si potrebbe avere un controllo passivo (strutturazione chimica) e uno attivo (vibrazioni) del moto di gocce su superfici. Per questo progetto, il candidato fabbricherà delle superfici piane chimicamente formate dall’alternanza di strisce idrofobe e idrofile di larghezza compresa tra 100 e 200 micron con la tecnica del microcontact printing. Questi campioni dovranno essere opportunamente montati su un agitatore e si dovrà mettere a punto la tecnica di rilevazione ottica del moto delle gocce.

[1]. S. Varagnolo et al., Stick-Slip Sliding of Water Drops on Chemically Heterogeneous Surfaces, Phys. Rev. Lett. 111, 066101 (2013).

 

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Moto di gocce di liquidi non-newtoniani indotto da vibrazioni verticali

Recentemente, si è osservato che gocce di soluzioni acquose depositate su una superficie inclinata soggetta a vibrazioni verticali possono risalire la superficie contro la forza di gravità. Cambiando in modo sistematico la frequenza e l’ampiezza di oscillazione, si sono costruiti dei diagrammi di fase dinamici che individuano regioni in cui la goccia non si muove, in cui scivola e in cui risale. In questa tesi, il candidato estenderà queste misure a soluzioni polimeriche non-newtoniane, sia di tipo shear-thinning (viscosità cala all’aumentare del tasso di deformazione), sia di tipo shear-thickening (viscosità aumenta all’aumentare del tasso di formazione). Ci si aspetta che gli effetti non-lineari responsabili della risalita possano essere amplificati per queste soluzioni.

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Reologia di microorganismi soggetti a frammentazione ambientale

Microorganismi come batteri e alghe sono gli esempi più semplici di materia attiva, cioè sistemi formati da un grande numero di unità interagenti munite di auto-propulsione. Negli ultimissimi anni, questi sistemi che combinano la biofisica con la soft-matter sono stati oggetto d’intensi studi sia per il loro interessante comportamento, sia per le loro promettenti applicazioni. La motilità di cui sono dotate le unità componenti guida la materia attiva fuori dall’equilibrio termodinamico anche in condizioni stazionarie. In questo progetto di tesi, il candidato studierà la reologia di soluzioni di batteri di tipo diverso confinate in microcanali e soggette a un gradiente di pressione tra le estremità del canale. Gli esperimenti si baseranno su tecniche di microscopia ottica e di microfluidica sviluppate nel laboratorio Lafsi (http://lafsi.dfa.unipd.it/) del Dipartimento G. Galilei. Per permetterne il riconoscimento, i tipi di batteri saranno geneticamente modificati in modo da essere fluorescenti a diverse lunghezze d’onda.

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Scivolamento di gocce di ferrofluido su superfici magneticamente strutturate

La strutturazione di superfici è molto comune in dispositivi microfluidici per controllare e manipolare i flussi. In questa tesi, il candidato studierà lo scivolamento di gocce di ferrofluido su lamierini magnetici che presentano delle scanalature prodotte per elettro-erosione. Se il lamierino è avvicinato a un magnete permanente si otterrà una modulazione spaziale nel campo sentito dalla goccia che può controllarne il moto. Il candidato nel suo lavoro studierà la dinamica di vari tipi di ferrofluidi prodotti dal gruppo del Dr. Abou-Hassan dell’Istituto Marie Curie di Parigi al variare del campo magnetico applicato.

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Misure di isteresi su superfici strutturate impregnate

Superfici “non-bagnate” formate da micro/nanostrutture impregnate con liquidi lubrificanti hanno recentemente mostrato un comportamento superiore a quello di superfici superidrofobe che si basano su interfacce aria/liquido [1,2] . Queste superfici sono oggetto di intensi studi per le loro peculiari proprietà che possono trovare numerose e variegate applicazioni, dalla riduzione della forza di trascinamento in flussi laminari all’adesione del ghiaccio fino al packaging di liquidi viscosi (si veda, ad esempio, il divertente video fatto dal gruppo del Prof. Varanasi del MIT, https://www.youtube.com/watch?v=yxyCLoYfexo ). In questa tesi, il candidato dovrà fabbricare in camera pulita delle superfici microstrutturate usando tecniche di foto e soft-litografia. Dopo averle impregnate con oli siliconici, proverà a misurare mediante microscopia ottica il profilo di gocce d’acqua depositate su tali superfici al variare del loro volume. Queste misure sono fondamentali per validare un modello elaborato dal gruppo del Prof. Kusumaatmaja della Durham University con cui collaboriamo, che cerca di spiegare il comportamento anomalo delle superfici impregnate.

[1]. J. D. Smith et al., Droplet mobility on lubricant-impregnated surfaces, Soft Matter 9, 1772 (2013). [2]. J. C. Bird et al., Reducing the contact time of a bouncing drop, Nature 503, 385 (2013).

 

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