The Role of Interfaces in Microfluidic Systems: Oscillating Sessile Droplets and Confined Bacterial Suspensions

This PhD thesis is focused on the role of interfaces that characterize microfluidic systems, such as the free air/liquid interface of drops or the liquid/solid interface of fluids enclosed in microchannels. This work has a twofold character: on one side, we studied the dynamics of sessile drops subject to oscillations of the substrate; on the other, we investigated the spatial concentration distribution of suspensions of motile bacteria, as a model system for active collids, tuned by geometrical confinement. Dynamics of sessile drops. The first topic is related to the field of wetting phenomena and open microfluidics, which deals with the behaviour of drops, typically in the nano-/microliter range, deposited on open surfaces. At such length scale, these systems are dominated by capillarity and may give rise to unexpected effects, not commonly observed at the larger scale we are used to. Our studies aim to the achievement of an active control on the motion and shape of drops by means of vibration of the substrates, for chemical or biological applications. In particular, the motion of liquid drops on an inclined substrate subject to vertical harmonic oscillations have been considered. Typically, small droplets on inclined surfaces remain pinned because of contact angle hysteresis. When vertical oscillations are applied the droplets unpin and slide down. Surprisingly, for sufficiently large oscillation amplitude the droplets move upward against gravity. The systematical investigation of the response of drops on varying peak acceleration and frequency of oscillations, for fluids with different surface tensions and viscosity, allowed the control of the unidimensional motion along the substrate. Then, we have studied the interfacial morphologies of water drops confined on the hydrophilic top face of rectangular posts of width 0.5 mm and various length. For small volumes, the liquid film adopts the shape of a homogeneous filament with a uniform cross section close to a circular segment. For larger volumes, the water interface forms a central bulge, which grows with the volume. In the case of posts longer than a characteristic length, the transition between the two film shapes on varying the volume is discontinuous and exhibits the bistability of the two morphologic states associated with a hysteresis phenomenon. Vertically oscillating the post, with fixed water volume corresponding to the bistability, at certain frequencies induces an irreversible transition from the filament to the bulge state. Self-propelled particles under geometrical confinement. The second topic deals with the behaviour of active fluids, i.e. self-propelled colloid suspensions which are intrinsically out of equilibrium systems (Active Matter). In particular, in the presence of geometrical structures, such systems behave in a very different way with respect to equilibrium Browinan colloids. We have analyzed the role of different swimming patterns on the concentration distribution of bacterial suspensions confined between two flat walls, by considering wild-type E. coli and P. aeruginosa, which perform Run and Tumble and Run and Reverse patterns, respectively. The concentration profiles have been obtained by counting motile bacteria at different distances from the bottom wall. In agreement with previous studies, an accumulation of motile bacteria close to the walls was observed. Different fraction of motile bacteria and different wall separations, ranging from 100 μm to 250 μm, have been tested. The concentration profiles resulted to be independent on the walls separation and on the different kind of motility and to scale with the motile fraction. These results are confirmed by numerical simulations, based on a collection of self-propelled rod-like particles interacting only through steric interactions.

Questa tesi di dottorato prende in esame il ruolo delle interfacce che caratterizzano i sistemi microfluidici, come ad esempio l’interfaccia libera aria/acqua delle gocce o l’interfaccia liquido/solido di fluidi racchiusi in microcanali. Questo lavoro ha un duplice carattere: da una parte, abbiamo studiato la dinamica di gocce sessili soggette ad oscillazioni del substrato; dall’altra, abbiamo investigato come la distribuzione spaziale della concentrazione in sospensioni batteriche, prese come sistema modello per colloidi attivi, venga alterata da un confinamento geometrico. Dinamica di gocce sessili. Il primo argomento rientra nel campo dei fenomeni di bagnabilità e della microfluidica aperta, che tratta il comportamento di gocce, tipicamente nel range dei nano- /microlitri, depositate su superfici aperte. A tali scale di lunghezza, questi sistemi sono dominati dalla capillarità a possono produrre effetti inaspettati che non vengono comunemente osservati alle scale macroscopiche a cui siamo abituati. I nostri studi sono volti al raggiungimento del controllo attivo del moto e della forma delle gocce per mezzo di vibrazioni del substrato, con applicazioni dalla Chimica alla Biologia. In particolare, è stato considerato il moto di gocce su in substrato inclinato sottoposto ad oscillazioni armoniche verticali. Normalmente, su superfici inclinate le goccioline rimangono ferme a causa dell’isteresi dell’angolo di contatto. Quando vengono applicate oscillazioni verticali le goccioline si sbloccano e scivolano giù. Sorprendentemente, per ampiezze di oscillazioni sufficientemente grandi le goccioline si muovono verso l’atro contro la forza di gravità. Un’analisi della risposta delle gocce al variare dell’accelerazione di picco e della frequenza di oscillazione, prendendo in esame fluidi con diverse tensioni superficiali e viscosità, ha permesso il controllo del moto unidimensionale lungo il pianoinclinato. Inoltre, abbiamo studiato le morfologie interfacciali di gocce d’acqua confinate sulla faccia superiore idrofilica di post rettangolari con larghezza 0.5 mm e varie lunghezze. Per piccoli volumi, il film liquido prende la forma di un filamento omogeneo con una cross-section uniforme simile ad un segmento circolare. Per volumi più grandi, l’interfaccia acqua/aria forma un rigonfiamento centrale, che cresce con il volume. Nel caso di post più lunghi di una lunghezza caratteristica, la transizione tra le due forme al variare del volume discontinua e mostra la bistabilità dei due stati morfologici associata ad un fenomeno di isteresi. Applicando al post, con volume d’acqua fissato corrispondente alla bistabilità, vibrazioni verticali con determinate frequenze si più indurre una transizione irreversibile dallo stato di filamento omogeneo a quello rigonfiato. Particelle auto-propulse sotto confinamento geometrico. Il secondo argomento riguarda il comportamento di fluidi attivi, cioè sospensioni di colloidi auto-propulsi che costituiscono sistemi intrinsecamente fuori equilibrio (Materia Attiva). In particolare, in presenza di strutture geometriche, tali sistemi si comportano in modo molto differente rispetto a colloidi Browniani all’equilibrio. Abbiamo analizzato il ruolo di diversi schemi di motilità sulla distribuzione di concentrazione di sospensioni batteriche confinate tra due pareti solide. considerando E. coli a P. aeruginosa wild-type, che si muovono secondo gli schemi Run and Tumble e Run and Reverse, rispettivamente. I profili di concentrazione sono tati ottenuti contando i batteri motili a diverse distanze dalle pareti. In accordo con studi precedenti, si osservato un accumulo di batteri motili in prossimit delle pareti. Sono state testate diverse frazioni di batteri motili e diverse distanze di separazione tra le pareti, nel range tra 100μm e 250 μm. I profili di concentrazione risultano indipendenti dalla distanza tra le pareti e dai differenti schemi di motilità e scalano con la frazione di batteri motili. Questi risultati sono confermati da simulazioni numeriche, basate su una collezione di particelle allungate auto-propulse che interagiscono solo tramite interazioni steriche.