Estudio de los flujos termocapilares como alternativa para la manipulación de micro-objetos

Abstract

El desarrollo de nuevas tecnologías y la investigación en el ámbito biológico (manipulación de células, bacterias y otros) trajo consigo el avance en la micro manipulación; ello a su vez conllevo al desarrollo de aplicaciones en diversas áreas como el diseño de microcomponentes [20], también al desarrollo de instrumentos como las micropinzas para manipular objetos a pequeñas escalas (células, partículas, micro- piezas, etc)[6], y a desarrollar nuevos métodos para poder manipular cualquier tipo de micro-objeto o célula [7, 10]. Actualmente se tienen métodos para poder manipular micro-objetos sin establecer un contacto directo. Por otra parte, los métodos de contacto siguen siendo ampliamente usados. No obstante, esto no implica que vayan a ser los más adecuados. Por ejemplo, cuando se manipula haciendo uso de las micropinzas, ciertas veces los objetos podrían quedar adheridos en la terminación de las pinzas ya que las fuerzas de adherencia son predominantes a esta escala. En el caso de los m´etodos sin contacto, estos se caracterizan usualmente por aprovechar propiedades físicas y también geométricas del objeto, por ejemplo: si se tuviera moléculas o partículas cargadas o con cierta polarización, se podría hacer uso de campos eléctricos para poder desplazarlas, entre las técnicas que aprovechan los campos eléctricos para poder desplazar a objetos (sub)micrométricos están la electroforesis [38] y la dielectroforesis [11] (estos dos métodos aprovechan el gradiente de campo eléctrico); si se quisiera manipular microesferas dieléctricas, las pinzas ópticas [1, 28] hacen uso de la presión de radiación y el gradiente de campo eléctrico en un haz láser usualmente con un perfil gaussiano para poder atrapar a dichas partículas y mover- las con el desplazamiento del haz. Si por otra parte, los objetos a manipular tienen propiedades ferromagnéticas, sería conveniente usar campos magnéticos para su manipulación, el método más conocido para llevar esto a cabo es la magnetoforesis [29]. Sin embargo, ¿que pasaría si los objetos que se manipularan no tuvieran ninguna de estas propiedades físicas y tuvieran diversas geometrías? ¿sería posible manipularlos? de hecho una posible alternativa para poder llevar a cabo la manipulación sería alterando el medio donde manipulamos los micro-objetos. Usualmente la fabricación de microcomponentes se lleva dentro de medios acuosos (agua destilada, alcoholes, entre otros) con el fin de no contaminarlos, igualmente, gran parte de células se estudian en medios acuosos por lo que la propuesta anterior no es nada descabellada. En el presente trabajo se da solución a esta problemática haciendo uso de los flujos de Marangoni o Termocapilares. Durante años se ha estudiado los flujos de Marangoni, desde patrones generados debido a las inestabilidades presentes al momento de generar este fenómeno [25] hasta incluso en el crecimiento de cristales [37]. Sin embargo, trabajos recientes demuestran que también es posible usar los flujos para atrapar [13, 14, 16, 27], agrupar [2, 3] y desplazar partículas con propiedades físicas y características geométricas distintas [40–42], pero no se ha podido controlar en su totalidad el desplazamiento de dichos micro-objetos por lo que esta tesis presentará en su desarrollo la generación adecuada y la caracterización de los flujos para poder tener en gran totalidad el control sobre el movimiento del micro-objeto a manipular. El objetivo general del presente trabajo es desarrollar una sistema que permita manipular micro-objetos sin establecer un contacto directo con ellos mediante el uso de los flujos Termocapilares generados en un microfluido (capas delgadas de agua destilada). Además de ello, se propone hacer un estudio en extenso del comportamiento de estos flujos, todo con el fin de poder tener controlado en su totalidad la generación de estos para la manipulación de micro-objetos. Por ello, para lograr este objetivo general, estructuramos los objetivos específicos de este trabajo de la siguiente manera: estudiar el fenómeno de termocapilaridad mediante elementos finitos, diseñar un sistema que permita manipular objetos generando los flujos termocapilares, estudiar el fenómeno de convección para entender cómo se podría aprovechar los flujos para manipular los objetos y una vez ya conocido la forma en que se manipulara, estudiar y perfeccionar dicho principio de funcionamiento para controlar la generación de los flujos.

Moving small particles in other words micromanipulate them, requires to overcome several issues generated by electrical forces, changes in the medium where the particles are immersed, surfaces forces, among others. Micromanipulation is classified into two groups: contact and non-contact. The for- mer requires a manipulator such as micro-grippers and micro-syringes. Many times the manipulated sample sticks to the instruments due the adhesion forces are pre- dominant at micro-scale. On the other hand, non-contact methods commonly takes advantage of the physical properties and geometric features from the object to achieve the manipulation. For example, electric fields could be used to displace them. Within these techniques -which use electric fields- the electrophoresis [38] and dielectrophoresis [11] (both methods take advantage of the electric field gradient in the space) are ones of the most known; if it was desired to manipulate micro-sphere-dielectric particles, optical tweezers would be really useful to reach this task [1, 28]. They use the radiation pressure gradient -that implies a electric field gradient- usually inside of a Gaussian laser beam to catch these particles and move them according to the beam movement. Another example can be found when ferromagnetic objects need to be displaced, in this case it will be convenient to use magnetic fields. In that sense, the method that is commonly used is the magnetophoresis [29]. Nevertheless, what would happen if the manipulated object did not have any of these physical properties and it had a complicated geometry? would it be possible to manipulate them?, in fact, one alternative to carry out the manipulation will be altering the environment where the micro-objects are laid out. Usually micro-components fabrication is carried out inside aqueous media (distilled water, alcohols and others) in order not to contaminate them, as well as large number of cells are studied inside these media, so that, this proposal is not so far-fetched. In this work a solution to this problem is given by using Thermocapillary flows or better known as Marangoni flows. During many years Marangoni flows have been extensively studied, from patterns generated due to the instabilities presented in the whole phenomenon [25] and even though in the cristal growth [37]. However, recent works have shown that is also possible to use thermocapillary flows to trap [13, 14, 16, 27], sort [2, 3] and displace cells and particles with different physical properties and various geometric features [40–42], but in those works the total manipulation of micro-objects has not been achieved, and, for that reason, this thesis deals with the adequate generation and the flow characterization in order to reach a better comprehension and the total control over the micro-objects. The general objective of this work is developing an experimental system to manipulate micro-objects without keeping direct contact by using Thermocapillary flows generated in micro-fluids (in our case it was distilled water). Furthermore, an extensive study of the flow behaviour is proposed with the finality to control absolutely its generation for micro-object manipulation. So that, to achieve that general objective, the specific objectives are structured as follows: study the Thermocapillary phenomenon using finite element method (FEM), design an experimental set up capable of generating Thermocapillary flows, study experimentally the convection phenomenon in order to understand how those flows could be used to manipulate objects and, once already found the way it works, study and improve the principle of operation to control the flow generation.