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• acoustic counterflow microfluidics
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• microfluidica
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• microparticelle
• microparticles
• onde acustiche di superficie
• particle separation
• particle suspensions
• separazione di particelle
• sospensioni di particelle
• surface acoustic waves

Questa tesi specialistica presenta lo studio sperimentale dell'interazione tra onde acustiche di superficie (SAW) e sospensioni di microparticelle durante il riempimento di microcanali idrofobici in regime di acoustic counterflow [1].
La microfluidica è una scienza interdisciplinare che ha come oggetto lo studio e la manipolazione di fluidi in dispositivi miniaturizzati (con dimensioni dell'ordine di centinaia di micrometri fino a centinaia di nanometri) [2]. Da un punto di vista applicativo, la disponibilita' di dispositivi microfluidici portatili rende accessibili sistemi biomedicali economici ed adatti ad un utilizzo su larga scala. Questi “lab-on-a-chip” si basano su di un controllo di precisione del flusso, richiedono piccole quantità di campioni chimici o biologici e svolgono analisi in tempi brevi e con possibilità di parallelizzazione. Tuttavia, in generale, i “lab-on-a-chip” richiedono serbatoi e pompe macroscopici e non integrabili su chip che di fatto limitano la portabilita' dei sistemi completi.
Recentemente è stato proposto un nuovo approccio alla microfluidica, che utilizza SAW al posto di sistemi esterni di pompaggio. Le SAW, descritte da Lord Rayleigh nel 1885, sono onde con componenti sia trasversali che longitudicali che si propagano sulla superficie di un cristallo e decadono a poche lunghezze d'onda di profondità. In caso di substrati piezoelettrici, le SAW possono essere eccitate applicando un segnale elettrico di opportuna frequenza a trasduttori interdigitati (IDTs) depositati sulla superficie del substrato stesso.
Nel mio lavoro di tesi, sono stati prodotti dei dispositivi che utilizzano le SAW come sistema di pompaggio in canali microfluidici standard [3]. Gli IDT in titanio e oro sono fabbricati con litografia ottica su substrati di niobato di litio (LiNbO3); i microcanali per il passaggio del fluido sono realizzati in polidimetilsilossano (PDMS) es ottenuti con il processo di replica molding da wafer di silicio microstrutturati.
Le onde acustiche superficiali incidendo sul liquido nel microcanale ne causano l'atomizzazione all'interfaccia, e successivamente guidano la coalescenza delle gocce con il menisco, causando un movimento netto del menisco in direzione opposta a quella di propagazione della SAW. Nella parte iniziale del lavoro di tesi tale meccanismo (acoustic counterflow microfluidics) viene descritto e correlato sperimentalmente con la geometria dei microcanali.
È fatto poi uno studio quantitativo dell'interazione tra SAW e microparticelle sospese in un fluido: esse risentono sia del flusso netto che della radiazione acustica, in misura diversa in base alle loro dimensioni. In particolare il bilancio di questi due effetti porta ad una zona di fluido nei pressi del menisco senza la presenza delle microparticelle, la cui estensione dipende dal diametro delle stesse. Nel caso di emulsioni polidisperse, tale meccanismo puo' essere utilizzato per separare ed ordinare lungo il microcanale le particelle in base alle loro dimensioni. Questa capacita' viene dimostrata sperimentalmente con microsfere in lattice e polistirene in sospensione in acqua.
I risultati mostrano come i lab-on-a-chip basati su SAW siano potenziali candidati per applicazioni quali plasma extraction, cell sorting ed analisi chimico-fisiche ambientali.

[1] Cecchini et al. Appl. Phys. Lett. 92, 104103 (2008)
[2] Shaw et al. Engineering in Life Sciences 11 (2), pp. 121-132 (2011)
[3] Masini et al. Lab Chip (2010) 10, 1997-2000