Estudio teórico y experimental de la dinámica de sistemas capilares complejos

Abstract

La producción y control de chorros, gotas, burbujas y otras estructuras fluídicas en la escala micro y nanométrica es de enorme interés en campos tan variados como farmacia, ingeniería textil o biomedicina. Independientemente del método de producción empleado, la mayoría de aplicaciones involucran algunos elementos que complican considerablemente el análisis, lo cual llamamos complejidad. La presente tesis analiza los efectos de las tres fuentes de complejidad más frecuentes en microfluídica: campos eléctricos, viscoelasticidad y adición de surfactantes. Respecto a la primera de ellas, esta tesis se centra en el límite de estabilidad de caudal mínimo de electrospray. Esta técnica produce, mediante intensos campos eléctricos, chorros muy finos que rompen en gotas (artículo I). Flow focusing permite producir, mediante medios puramente hidrodinámicos, chorros y gotas con tamaños similares a electrospray. El artículo II desarrolla la versión viscoelástica del flow focusing gaseoso (VGFF). Los papers III y IV aplican el VGFF a la impresión de películas micrométricas y la fabricación de fibras micro y nanométricas, respectivamente. Para cerrar el bloque viscoelástico, el paper V estudia la validez del modelo de Jeffreys, ampliamente empleado en problemas viscoelásticos, para describir la oscilación de gotas pendientes viscoelásticas. Por último, los artículos VI, VII y VIII estudian el efecto de la adición de surfactantes en problemas paradigmáticos de flujos dominados por la tensión superficial como son la oscilación y la rotura de sistemas capilares. Se presta especial atención al papel que juegan la solutocapilaridad, la convección de Marangoni y las viscosidades superficiales.

The production and control of jets, drops, bubbles and fluidic structures on the micro and nano-scale is of great interest in diverse technological fields including pharmacy, textile engineering or biomedicine. Regardless the strategy followed to produce the mentioned fluidic entities, in most applications one has to deal with some elements which considerably complicate the analysis, what we call complexity. In this dissertation we analyze the effects of the three sources of complexity usually found in microfluidics: electrical fields, viscoelasticity and addition of surfactants. Regarding the former, we focus on the minimum flow rate stability of electrospray. This technique makes use of intense electrical fields to produce very thin jets that break into droplets (paper I). To remove the electrical conditions imposed by electrospray, one can utilize the flow focusing principle, where similar drops/jets sizes are achieved by purely hydrodynamic means. In paper II we develop the viscoelastic gaseous flow focusing (VGFF) principle. Paper III and IV apply VGFF to smooth printing of microfilms and spinning of micro and nanofibers, respectively. To close the viscoelastic block, paper V assesses the validity of the Jeffreys model, traditionally used in the viscoelastic problems, to describe the oscillations of a viscoelastic pendant drop. Finally, during papers VI, VII and VIII we study the effects of the addition of surfactants in paradigmatic problems of surface tension driven flows, namely, oscillation and breakup of capillary systems. Special attention is paid to the role played by soluto-capillarity, Marangoni convection and surface viscosities.