Estudio de los flujos termocapilares como alternativa para la manipulación de micro-objetos - Quispe Navarrete, Johan Edilberto (2017)
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.