Local Fluidization of Concentrated Emulsion in Microfluidic Channels Textured at the Droplet Scale

The rheology of soft-flowing systems, such as concentrated emulsions, foams, gels, slurries, colloidal glasses and related complex fluids, has a larger and larger impact in modern science and engineering. Much of the fascination of these systems stems from the fact that they do not fall within any of three basic states of matter, gas-liquid-solid, but live rather on a moving border between them. To understand the flow mechanism, it is necessary to have a look at the micro-scale dynamics of its constituents (i.e, droplets for emulsions, bubbles for foams, blobs for gels, etc.). In fact, in these fluids, the flow occurs via successive elastic deformations and plastic rearrangements, which create fragile regions enhancing the “fluidization” of the material. Despite the fluidization of Soft Glassy Materials (SGMs) is strongly affected by the surface roughness, the role played by the density, the orientation and the periodicity of rough elements has not been quantitatively addressed so far. In fact, predict and control the flow of SGMs is particularly important for an ample variety of technological applications from food to pharmaceutical industries. In this work, we study the flow of concentrated emulsions in microfluidic channels, one wall of which is patterned with micron-size grooves with different patterns. Using equally spaced grooves, we find a scaling law describing the roughness-induced fluidization as a function of the density of the grooves, thus fluidization can be predicted and quantitatively regulated. Furthermore, we quantitatively report the existence of two physically different scenarios. When the gap is large, compared to the droplets in the emulsion, the droplets hit the solid obstacles and easily escape scrambling with their neighbors. Conversely, as the gap spacing is reduced, droplets get trapped inside, creating a “soft roughness” layer, i.e., a complementary series of deformable posts. Introducing an asymmetrical micro-roughness (herringbone pattern), the flow presents, in turn an asymmetric behavior. The emulsion flows faster in the same direction of the herringbone groove respect when it flows in the opposite direction. Our experimental observations are suitably complemented and confirmed by lattice Boltzmann simulations. These numerical simulations are key to highlight the change in the spatial distribution of the plastic rearrangements caused by surface roughness and to elucidate the micro-mechanics of the roughness induced fluidization.

La reologia dei sistemi soffici, quali emulsioni concentrate, schiume, gel, fanghi, vetri colloidali ha un grande impatto in ambito scientifico e ingegneristico. Gran parte del fascino di questi sistemi deriva dal fatto che essi non si collocano in nessuno dei tre stati base della materia, gas-liquido-solido, ma si posizionano ai limiti di ciascuna di esse. Per comprendere il meccanismo con il quale questi materiali scorrono è necessario osservare la dinamica dei loro costituenti (gocce per le emulsioni, bolle per le schiume, etc.) su scala microscopica. Infatti, il flusso è caratterizzato da una successione di deformazioni elastiche e riarrangiamenti plastici. Questi, creano delle regioni a maggior ``fluidità” in cui il materiale scorre. Il processo di fluidizzazione degli Soft Glassy Materials (SGMs) è fortemente influenzato dalla presenza di rugosità sulla superficie con cui sono a contatto, tuttavia il ruolo giocato dalla periodicità, l’orientazione e la forma degli elementi che costituiscono questa rugosità non è ancora stato del tutto compreso. Infatti, prevedere e controllare il flusso di questi SGMs è fondamentale in numerose applicazioni tecnologiche che vanno dall'industria alimentare a quella farmaceutica. In questo lavoro di tesi abbiamo studiato il flusso di emulsioni concentrate in canali microfluidici. Questi ultimi presentavano una rugosità controllata, su scala micrometrica, posizionata sul fondo del canale. Utilizzando come micro-rugosità una sequenza di ``grooves" (solchi) posti ortogonalmente al flusso, abbiamo osservato che la fluidizzazione indotta dipende dalla densità e dalla periodicità dei solchi. Ne consegue che, la fluidizzazione può essere controllata e regolata in modo quantitativo agendo sulla spaziatura di questi solchi. Inoltre, abbiamo osservato l’esistenza di due scenari con meccaniche di riarrangiamento differenti. Quando la spaziatura dei solchi è grande, rispetto alla dimensione delle gocce, queste colpiscono gli ostacoli e facilmente riarrangiano andando ad interagire con altre gocce vicine. Al contrario, riducendo lo spazio tra i solchi, le gocce ve ne rimangono intrappolate creando uno strato di ``rugosità soffice" creando a loro volta una nuova serie di ostacoli deformabili. Con l’introduzione di rugosità dalla geometria asimmetrica (a spina di pesce) abbiamo osservato che, anche il flusso all’interno del canale presenta un comportamento non simmetrico. L’emulsione, infatti, scorre più velocemente nello stesso verso della spina di pesce, rispetto a quando scorre nel verso opposto. Le nostre osservazioni sperimentali sono e supportate e confermate da simulazioni lattice Boltzmann. Queste simulazioni, cruciali per evidenziare le variazioni nella distribuzione spaziale dei riarrangiamenti plastici, sono un potente mezzo per studiare e comprendere le micro-dinamiche che portano alla fluidizzazione del materiale.