Precisión de la microscopía óptica en microfluídica: Aplicaciones
- Autores: Emilio José Vega Rodríguez
- Directores de la Tesis: José María Montanero Fernández (dir. tes.), Joaquín Fernández Francos (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Extremadura ( España ) en 2010
- Idioma: español
- ISBN: 978-84-694-0552-9
- Número de páginas: 164
- Tribunal Calificador de la Tesis: Jorge Luis Parrondo Gayo (presid.), María Guadalupe Cabezas Martín (secret.), Eduardo Blanco Marigorta (voc.), María del Carmen Valero Ferrando (voc.), Miguel Angel Herrada Gutiérrez (voc.)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Dehesa
- Resumen
En este trabajo se ha explorado la validez del Método de Visualización Óptica (MVO), en combinación con técnicas de detección de contorno, para aplicaciones de microfluídica mediante dos vías:
* La localización de superficies libres en equilibrio que comprenden películas líquidas micrométricas. Los contornos detectados se han comparado con las formas esperadas calculadas a partir de la solución exacta de la ecuación de Young-Laplace. En todos los casos, se han encontrado desviaciones del orden de decenas de nanómetros e inferiores. Se puede afirmar que la técnica de procesamiento de imágenes ha proporcionado resultados cuya precisión ha sido dos órdenes de magnitud mayor que la que podrá haberse esperado debido al efecto de la difracción. Estos resultados constituyen la primera validación cuantitativa próxima al límite de difracción del MVO para la caracterización de superficies libres.
* La medida de deformaciones dinámicas de entrefases mediante el estudio de la oscilación libre de un puente líquido. Los resultados han permitido señalar la importancia de fenómenos que a menudo son despreciados, como los ruidos mecánicos ocasionados por la vibración del edificio. El método ha detectado oscilaciones hasta veinte veces más pequeñas que el tamaño del píxel, lo que ha permitido realizar un análisis a escala nanométrica. Además, se ha comparado la calidad de los contornos proporcionados por distintas técnicas de procesamiento de imágenes. Los resultados indican que la técnica que proporciona el contorno más preciso (con menos ruido) es la que utiliza el ajuste de la función de Boltzmann para la detección del contorno a nivel subpíxel, e incorpora una operación de suavizado del perfil.
Una vez validado el método experimental, se ha puesto de manifiesto su utilidad mediante su aplicación a distintos problemas de microfluídica:
* Estudio experimental de las oscilaciones libres axiales y laterales de pequeña amplitud de puentes líquidos axisimétricos. Para ello, se ha excitado el primer modo de oscilación de puentes líquidos tanto prácticamente no viscosos como moderadamente viscosos, y se han medido los parámetros que caracterizan ese modo. Se ha determinado la dependencia axial de estos parámetros, y se ha analizado la influencia de la forma de equilibrio sobre la frecuencia de oscilación y el coeficiente de amortiguamiento. Los resultados experimentales se han comparado con la solución de las ecuaciones de Navier-Stokes cuando el número capilar viscoso tiende a cero y con dos modelos unidimensionales. Los modelos teóricos han predicho con precisión la dependencia axial de los parámetros que caracterizan el modo de oscilación. La comparación con los datos experimentales ha mostrado un extraordinario acuerdo para la frecuencia de oscilación, mientras que se han obtenido discrepancias significativas para el coeficiente de amortiguamiento.
* Otras aplicaciones: (i) el flujo en la punta de un menisco capilar, (ii) la deformación extensional de microchorros viscosos mediante la acción de una corriente de gas externa, (iii) el crecimiento de ondas capilares de pequeñas amplitudes sobre la superficie libre de un microchorro, y (iv) la caracterización de microtoberas de vidrio.
Además, se ha presentado una aplicación del MVO sin utilización de técnicas de procesamiento de imágenes. En esta aplicación se estudia la influencia de la geometría en la inestabilidad global y local de la técnica de flujo enfocado. Se identificaron tres regímenes: (i) el régimen steady jetting, donde el menisco líquido es estable y el chorro es convectivamente inestable; (ii) el régimen de inestabilidad local, donde el menisco líquido es estable y el chorro es absolutamente inestable; y (iii) el régimen de inestabilidad global, donde el menisco líquido es inestable. Se describieron los mecanismos responsables de las transiciones entre estos regímenes. Los experimentos mostraron la existencia de un valor mínimo Qmin del caudal Q por debajo del cual el flujo enfocado es globalmente inestable independientemente de la caída de presión aplicada a la corriente de gas. Se analizó la dependencia del umbral de estabilidad Qmin con respecto a la distancia capilar-orificio H considerando diferentes líquidos. Si se fija el resto de parámetros geométricos, existe un valor óptimo Hopt de la distancia capilar-orificio H para la cual el umbral de estabilidad Qmin es mínimo. También se determinó la dependencia de Hopt y del correspondiente caudal mínimo Qopt con respecto del diámetro del capilar. Además, se encontró que Qmin diverge cuando la distancia capilar-orificio H disminuye y alcanza un cierto valor crítico, en el cual tiene lugar la transición de flujo enfocado a "flow blurring". Se confirmó la interpretación de los resultados experimentales mediante la realización de simulaciones numéricas para los tres regímenes anteriormente mencionados.
