Llenado capilar de microcanales y estructuras nanoporosas

Abstract

Se estudia el llenado capilar de estructuras porosas con aplicación a microfluídica. La dinámica del movimiento de un líquido penetrando en un sustrato poroso queda determinada por la interacción de ambos. En este sentido se plantea el problema inverso del llenado capilar, consistente en identificar la geometría interna de un capilar a partir de los datos cinemáticos del llenado. La posibilidad de identificar de forma no destructiva la geometría interna de nanocanales es de particular interés en la caracterización de matrices nanoporosas. El perfil longitudinal del radio interno de los nanoporos (<100nm) de una membrana de alúmina se obtuvo con una resolución superior a la que se alcanza con técnicas de microscopía electrónica. Se propuso un modelo generalizado para el flujo en canales planos de ancho variable y se resolvió el problema inverso a fin de obtener una ecuación para el diseño racional de los mismos. La propuesta fue validada experimentalmente utilizando microcanales Hele-Shaw y dispositivos basados en papel. La variabilidad del llenado capilar de papel fue estudiada en detalle y se desarrolló un protocolo experimental que mejora notablemente la predictibilidad del proceso. Este hecho fue aprovechado para desarrollar un viscosímetro basado en papel que permite determinar bajas viscosidades (<5cP) con menos de 1% de error. Se demostró la factibilidad de implementar una reometría basada en papel para fluidos de baja viscosidad (1-100cP) a bajas velocidades de corte (0.01-1 1/s). Para fluidos ley de potencia se determinó el índice de comportamiento de flujo n con menos del 3% de error.

In this thesis we study the capillary filling of porous structures with application in microfluidics. The dynamics of the fluid motion penetrating in a porous substrate is determined by the interaction of both. In this sense, we posed the inverse problem of capillary filling, which consists in determining the capillary radius profile from experimental data. The posibility of identify the inner geometry of nanochannels in a non-destructive way is of much interest in the characterization of nanoporous matrices. The radius profile of the nanoporous (<100nm) of an alumina membrane was obtained with a better resolution that electronic microscopy. A generalized model for flow in flat microchannels of variable width was proposed and then the inverse problem was resolved in order to obtain a rational design equation. The proposal was validated using Hele-Shaw microchannels and paper strips. The variability of the capillary filling process on paper was carefully studied. An experimental protocol was developed to achieve better predictability. This fact was exploited to implement a paper-based viscometry for low viscosity liquids (<5cP) with less than 1% error. The feasibility of paper-based rheometry was demonstrated for liquids of low viscosity (1-100 cP) at low shear velocity (0.1-1 1/s). In particular, for power law fluids the flow behaviour index n was determined with less than 3% error.