Introduzione. 1 Concetti introduttivi sulla microfluidica. 1.1 Tensione superficiale Bagnabilità Pinning... 8

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Annunciata Martina Petrucci
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2 Indice 3 1 Concetti introduttivi sulla microfluidica Tensione superficiale Bagnabilità Pinning Tecniche di microfabbricazione Fotolitografia Replica & Double Replica Molding Strumenti utilizzati Clean Room Spin-coater UVO-cleaner Lampada UV (SB-100P) Lampada UV a fascio collimato Forno Materiali e polimeri usati SU PDMS NOA Risultati sperimentali Fabbricazione del dispositivo Creazione master in SU Creazione master in PDMS Creazione del canale in NOA Chiusura del canale Sigillatura del dispositivo Brevi considerazioni sul canale costruito Misure preliminari

3 3.3.1 Apparato di misura Immagini raccolte Conclusioni 29 Bibliografia 31

4 Quando, il 4 settembre 1956, fu annunciato il nuovo prodotto di casa IBM, molti capirono che esso avrebbe rivoluzionato il mondo dei calcolatori commerciabili. Il RAMAC 305, infatti, possedeva un disco fisso da ben 4.4MB, tecnologia e capacità decisamente rivoluzionari per quell'epoca. Questo hard disk pesava oltre una tonnellata ed era più grande di un frigorifero. Recentemente la corporazione statunitense SanDisk ha annunciato in una conferenza stampa l'uscita, entro un anno, delle nuove microsd da 128GB. Esse avranno una superficie di poco più di un cm2 e peseranno 0,4g circa. E' singolare il fatto che, nel giro di soli cinquant'anni, le capacità dei dispositivi di archiviazione di massa sono aumentate di 5 ordini di grandezza e il loro peso diminuito di 7. Impressionante notare che è stata proprio questa miniaturizzazione a consentire l'inserimento di elevatissime capacità di memoria all'interno di dispositivi portatili, come un semplice lettore mp3, modificando radicalmente il nostro stile di vita. Un processo analogo, anche se con qualche anno di ritardo, si sta attuando nel campo dei laboratori. Ultimamente sono stati infatti ipotizzati e realizzati dei veri e propri laboratori in miniatura. Questi LOC (Lab on a chip) [1] compiono le stesse funzioni di normali laboratori mescolando e facendo reagire componenti, anche se in quantità molto differenti rispetto a quelle a cui siamo abituati, riuscendo a portare a termine le varie tappe di un processo chimico. Nonostante le piccole quantità (nanolitri) che questi chip sono in grado di manipolare possano sembrare uno svantaggio, la miniaturizzazione di questi laboratori può portare certamente enormi vantaggi come: applicazioni pratiche (ad esempio un chip per il pronto soccorso in grado di rivelare le cause di un'intossicazione) parametri operativi controllabili con maggior facilità (radiazioni e altri fenomeni chimicofisici risultano molto meno pericolosi se presenti in quantità minori) minor spreco di reagenti (con impatto positivo sia su costi che sull'ambiente) possibile parallelizzazione per produzione di elevate quantità di prodotto. Il comportamento dei fluidi in questi microcanali è notevolmente diverso da quello comunemente osservato con le normali dimensioni: mentre all'interno di comuni tubi di qualche cm di diametro il moto dell'acqua è turbolento e tende a creare vortici, all'interno di microcanali (ovvero canali con una sezione di diametro compreso tra i 10 e io 100 μm) esso è laminare. Inoltre, nella scala dei nanolitri, il rapporto superficie/volume aumenta notevolmente rendendo così ininfluenti le forze di volume (come quella gravitazionale) rispetto a quelle superficiali (tensione superficiale/forze capillari). E' questo il principale motivo per cui si introdurrà il concetto di tensione superficiale.

5 4 Figura I0: L'hard-disk del RAMAC 305 messo a confronto con una comune microsd. Allo stesso modo è stato rappresentato un laboratorio di chimica e un LOC [1] Per la costruzione di questi chip vengono spesso usati vari tipi di vetro, plastiche o polimeri di vario genere in quanto un'elevata trasparenza consente un controllo ottico della reazione e quindi una ulteriore tecnica di controllo della reazione. Tuttavia la microfluidica, ovvero il campo della fisica che si interessa della manipolazione di piccole quantità di fluidi, deve confrontarsi con nuovi problemi che diventano rilevanti quando si inizia a scendere su piccola scala. Uno di questi è il problema del riempimento di un canale in cui siano presenti imperfezioni, difetti o tracce di contaminante. Infatti, durante questa fase, la presenza di ostacoli o altri tipi di geometrie può molto facilmente formare delle bolle d'aria, molto difficili da eliminare, che modificano il corretto funzionamento del dispositivo. Anche in questo caso, per poter contrastare questo problema è necessario prima conoscerlo a fondo. In questa tesi mi sono occupato della costruzione di un dispositivo con microcanali idrofili che presentano al loro interno una o più asperità per lo studio dell'evoluzione di un menisco aria-acqua. In particolare nel primo capitolo si farà una breve introduzione teorica sui concetti base della microfluidica necessari per comprendere il contenuto della tesi. Nel secondo capitolo verranno spiegate le tecniche, gli strumenti e i materiali necessari allo svolgimento del progetto. Nel terzo capitolo verranno illustrati in dettaglio la procedura per la fabbricazione dei canali e i problemi riscontrati. Inoltre, nel medesimo capitolo, verranno presentate delle misure preliminari eseguite facendo scorrere all'interno dei canali appena costruiti dell'acqua per verificarne il corretto funzionamento.

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