Carregant...
Tipus de document
TesiVersió
Versió publicadaData de publicació
Llicència de publicació
Si us plau utilitzeu sempre aquest identificador per citar o enllaçar aquest document: https://hdl.handle.net/2445/225927
Fluid Front Dynamics Characterization in Confined Microchannels and Porous Media. Pumps, Lubricants, Defects, Hydrogels and Organ-on-a-chip
Títol de la revista
Autors
Director/Tutor
ISSN de la revista
Títol del volum
Recurs relacionat
Resum
[eng] This thesis presents the results of three and a half years of research on fluid front dynamics, porous media and microfluidics through five interconnected studies. While these fields provide the general framework, this work explores specific topics, including liquid pumping, capillary-driven flow, materials characterization, and microfluidic design for biomedical applications. This research establishes a theoretical framework based on fluid dynamics principles, supported by experimental characterization and advanced fabrication processes to validate the hypotheses. A central theme of this research is the interplay between fluid flow dynamics and complex materials, with a focus on controlling and optimizing flow behaviors in confined environments. Using theoretical modeling, experimental validation, and material engineering, this work advances our understanding of key processes that govern liquid transport in natural and engineered systems. The research is divided into five different parts, among two parts of the Introduction and Conclusions. The first three parts, not counting the introduction, are related to each other under the title Fluid Front Dynamics: Pumps, Lubricants and Defects. In the first case, we investigate air-permeable porous media pumps, developing a mathematical model to describe their performance. These pumps operate without external power sources, offering an innovative solution for microfluidic transport. The interplay between air diffusion and liquid displacement plays a crucial role in their efficiency. In the second case, we study imbibition in SLIPS-coated channels, optimizing spontaneous capillary flow. By reducing friction with lubricant-infused sur-faces, we demonstrate a mechanism to accelerate capillary-driven transport, a fundamental challenge in passive microfluidic systems. The third, analyzes front flow in single-defect channels, examining how surface roughness influences pinning effects. Pinning-induced variations in capillary pressure provide insights into how microscale irregularities impact fluid motion, a key consideration in both lab-on-a-chip technologies and industrial microfluidic systems. Next, the two remaining parts are also related under the title, Bio-Mimetics: Hydrogels and Organ-on-a-Chip. In the fourth, then, we focus on measuring and tailoring the hydrogel properties and improving their structure to enhance key characteristics. Hydrogels, as a class of soft porous materials, provide tunable properties that influence their permeability and mechanical behavior, making them highly relevant for biomedical and filtration applications. Finally, we design a spleen-on-a-chip system for malaria testing, mimicking the spleen’s function to detect diseases in cells. This bioinspired microfluidic device integrates porous media and microchannel networks to recreate physiologically relevant conditions for blood filtration and parasite detection. Each of these studies contributes to a deeper under-standing of fluid behavior in microfluidic and porous systems, with implications for both fundamental science and applied engineering. Together, these findings improve our ability to design efficient and power-free fluid transport systems, improve material properties for biomedical applications, and refine theoretical models that describe the front between liquid and air behavior in confined geometries. The synergy between the behavior of porous media, capillary-driven dynamics, and engineered microfluidic designs underscores the importance of interdisciplinary approaches in tackling complex fluidic challenges.
[cat] Aquesta tesi titulada: Caracterització de la Dinàmica del Front d'un Fluid Confinat en Microcanals i Medis Porosos, presenta els resultats de tres anys i mig de recerca sobre la dinàmica del front d'un fluid, els medis porosos i la microfluídica a través de cinc estudis interconnectats. Tot i que aquests camps proporcionen el marc general, el treball s’endinsa en reptes específics com el bombeig de líquids, el flux impulsat per capil·laritat, la caracterització de materials i el disseny microfluídic per a aplicacions biomèdiques. Un tema central d’aquesta recerca és la interacció entre la mecànica de fluids i els materials complexos, especialment en el context de controlar i optimitzar els comportaments del flux en geometria tancada, com poden ser els microcanals. Mitjançant el modelatge teòric, la validació experimental i l’enginyeria de materials, aquest treball avança en la comprensió dels processos clau que governen el transport de líquids en diversos sistemes. La recerca es divideix en cinc parts principals. Primer, investiguem bombes de medis porosos permeables a l’aire, desenvolupant un model matemàtic per descriure el seu funcionament. Aquestes bombes funcionen sense fonts d’energia externes, oferint una solució innovadora per al transport microfluídic. La interacció entre la difusió d’aire i el desplaçament de líquid té un paper crucial en la seva eficiència. Seguidament, estudiem la imbibició en canals recoberts amb SLIPS, optimitzant el flux espontani per capil·laritat. En reduir la fricció amb superfícies impregnades de lubricant, demostrem un mecanisme per accelerar el transport impulsat pels efectes de capil·laritat, un repte fonamental en els sistemes microfluídics passius. En tercer lloc, analitzem el flux del front en canals amb un únic desperfecte aïllat, examinant com la rugositat de la superfície influeix en la dinàmica del fluid. Les variacions en la pressió capil·lar induïdes per la pertorbació que genera el desperfecte proporcionen informació sobre com les defectes a microescala afecten el moviment del fluid, una consideració clau tant en les tecnologies de laboratori-en-un-xip com en els sistemes microfluídics industrials. En quart lloc, ens centrem a mesurar i adaptar les propietats dels hidrogels, millorant-ne l’estructura per potenciar característiques clau. Els hidrogels, com tots els materials porosos tous, ofereixen propietats ajustables que influeixen en la seva permeabilitat i comportament mecànic, cosa que els fa molt rellevants per a aplicacions biomèdiques i de filtració. Finalment, dissenyem un sistema de melsa-en-un-xip per a proves de malària, imitant la funció de la melsa per detectar cèl·lules malaltes. Aquest bio-dispositiu microfluídic integra medis porosos i xarxes de microcanals per recrear condicions fisiològicament rellevants per a la filtració de sang i la detecció de paràsits. Cadascun d’aquests estudis contribueix a una comprensió més profunda del comportament dels fluids en sistemes microfluídics i porosos, amb implicacions tant per a la ciència fonamental com per a l’enginyeria aplicada. Aquests descobriments milloren la nostra capacitat per dissenyar sistemes de transport de fluids eficients i sense energia, millorar les propietats dels materials per a aplicacions biomèdiques i refinar models teòrics que descriuen les interaccions líquid-aire en geometries tancades. La sinergia entre el comportament dels medis porosos, la dinàmica impulsada per capil·laritat i els dissenys microfluídics posa de manifest la importància dels enfocaments interdisciplinaris per abordar reptes fluídics complexos. Els resums de cada part es presenten a continuació.
[cat] Aquesta tesi titulada: Caracterització de la Dinàmica del Front d'un Fluid Confinat en Microcanals i Medis Porosos, presenta els resultats de tres anys i mig de recerca sobre la dinàmica del front d'un fluid, els medis porosos i la microfluídica a través de cinc estudis interconnectats. Tot i que aquests camps proporcionen el marc general, el treball s’endinsa en reptes específics com el bombeig de líquids, el flux impulsat per capil·laritat, la caracterització de materials i el disseny microfluídic per a aplicacions biomèdiques. Un tema central d’aquesta recerca és la interacció entre la mecànica de fluids i els materials complexos, especialment en el context de controlar i optimitzar els comportaments del flux en geometria tancada, com poden ser els microcanals. Mitjançant el modelatge teòric, la validació experimental i l’enginyeria de materials, aquest treball avança en la comprensió dels processos clau que governen el transport de líquids en diversos sistemes. La recerca es divideix en cinc parts principals. Primer, investiguem bombes de medis porosos permeables a l’aire, desenvolupant un model matemàtic per descriure el seu funcionament. Aquestes bombes funcionen sense fonts d’energia externes, oferint una solució innovadora per al transport microfluídic. La interacció entre la difusió d’aire i el desplaçament de líquid té un paper crucial en la seva eficiència. Seguidament, estudiem la imbibició en canals recoberts amb SLIPS, optimitzant el flux espontani per capil·laritat. En reduir la fricció amb superfícies impregnades de lubricant, demostrem un mecanisme per accelerar el transport impulsat pels efectes de capil·laritat, un repte fonamental en els sistemes microfluídics passius. En tercer lloc, analitzem el flux del front en canals amb un únic desperfecte aïllat, examinant com la rugositat de la superfície influeix en la dinàmica del fluid. Les variacions en la pressió capil·lar induïdes per la pertorbació que genera el desperfecte proporcionen informació sobre com les defectes a microescala afecten el moviment del fluid, una consideració clau tant en les tecnologies de laboratori-en-un-xip com en els sistemes microfluídics industrials. En quart lloc, ens centrem a mesurar i adaptar les propietats dels hidrogels, millorant-ne l’estructura per potenciar característiques clau. Els hidrogels, com tots els materials porosos tous, ofereixen propietats ajustables que influeixen en la seva permeabilitat i comportament mecànic, cosa que els fa molt rellevants per a aplicacions biomèdiques i de filtració. Finalment, dissenyem un sistema de melsa-en-un-xip per a proves de malària, imitant la funció de la melsa per detectar cèl·lules malaltes. Aquest bio-dispositiu microfluídic integra medis porosos i xarxes de microcanals per recrear condicions fisiològicament rellevants per a la filtració de sang i la detecció de paràsits. Cadascun d’aquests estudis contribueix a una comprensió més profunda del comportament dels fluids en sistemes microfluídics i porosos, amb implicacions tant per a la ciència fonamental com per a l’enginyeria aplicada. Aquests descobriments milloren la nostra capacitat per dissenyar sistemes de transport de fluids eficients i sense energia, millorar les propietats dels materials per a aplicacions biomèdiques i refinar models teòrics que descriuen les interaccions líquid-aire en geometries tancades. La sinergia entre el comportament dels medis porosos, la dinàmica impulsada per capil·laritat i els dissenys microfluídics posa de manifest la importància dels enfocaments interdisciplinaris per abordar reptes fluídics complexos. Els resums de cada part es presenten a continuació.
Matèries (anglès)
Citació
Citació
BENAVENT CLARÓ, Andreu. Fluid Front Dynamics Characterization in Confined Microchannels and Porous Media. Pumps, Lubricants, Defects, Hydrogels and Organ-on-a-chip. [consulta: 1 de febrer de 2026]. [Disponible a: https://hdl.handle.net/2445/225927]