Modelado numérico de flujo y transporte en dispositivos microfluídicos micro y nanoestructurados utilizando técnicas multiescalas

Abstract

Los dispositivos analíticos microfluídicos basados en papel (μPADs) poseen muchas cualidades atractivas, como su bajo costo, portabilidad y capacidad de funcionar sin equipos de apoyo ni fuentes de energía. Sin embargo, una de las principales limitaciones de dichos dispositivos es la falta de repetibilidad asociada a la naturaleza intrincada y aleatoria de los sustratos porosos. En consecuencia, los procesos de investigación y diseño suelen basarse en la construcción de prototipos físicos, lo que evidencia la necesidad de desarrollar herramientas alternativas que permitan una comprensión más profunda de su comportamiento bajo distintas condiciones operativas, reduciendo tanto tiempos como costos experimentales. Esta tesis tiene como principal contribución la implementación y validación de una herramienta computacional para simular el flujo y transporte en medios porosos basados en papel a costos accesibles, específicamente en los papeles Whatmann #1 y Munktell 00A, los cuales son ampliamente utilizados en μPADs. La metodología propuesta se fundamenta en un enfoque multiescala que permite obtener propiedades efectivas mediante un procedimiento de homogeneización, evitando la necesidad de resolver explícitamente la microestructura completa del material en cada simulación. A diferencia de las simulaciones numéricas directas (DNS), cuyo costo computacional escala de manera significativa con el tamaño del dominio, el enfoque multiescala constituye una alternativa computacionalmente eficiente y con alta fidelidad física. Las propiedades efectivas obtenidas pueden compararse con resultados experimentales, mejorando la robustez y confiabilidad de los modelos numéricos. De este modo, la herramienta desarrollada no solo permite reducir tiempos y recursos en el diseño y análisis de μPADs, sino que también proporciona una comprensión más profunda del comportamiento de estos dispositivos en distintas situaciones operativas.

Paper-based microfluidic analytical devices (μPADs) exhibit many attractive qualities, such as their low cost, portability, and the ability to operate without supporting equipment or power sources. However, one of the main limitations of such devices is the lack of repeatability due to the intricate and random nature of the porous substrates. Consequently, research and design processes are often based on the construction of physical prototypes, highlighting the need to develop alternative tools that allow for a deeper understanding of their behavior under different operating conditions, which would not only save time but also resources. The proposed methodology is based on a multiscale approach that allows effective properties to be obtained through a homogenization procedure, avoiding the need to explicitly solve the complete microstructure of the material in each simulation. In contrast to direct numerical simulations (DNS), whose computational cost scales significantly with the size of the domain, the multiscale approach is a computationally efficient alternative with high physical fidelity. The effective properties obtained can be compared with experimental results, improving the robustness and reliability of numerical models. Thus, the developed tool not only reduces time and resources in the design and analysis of μPADs, but also provides a deeper understanding of the behavior of these devices in different operating situations.