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Mikrostroem

Volumetrische Impuls- und Temperaturfeldmessung mit Zeitauflösung in Mikrosystemen

In diesem Projekt soll das Astigmatismus-PTV Messprinzip genutzt und erweitert werden, um gleichzeitig das dreidimensionale Strömungs- und Temperaturfeld mit Zeitauflösung in den komplexen Mikrosystemen der Projektpartner zu bestimmen. Ferner soll dieses Messprinzip genutzt werden, um neuartige Analyse- und Beeinflussungsmethoden in Mikrosystemen zu qualifizieren und komplexe numerische Simulationen zu validieren. In einem weiteren Arbeitspaket soll darüber hinaus die Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) Technik eingesetzt werden, um die Signalqualität bei der Untersuchung des Ablagerungsverhaltens von Partikeln in Mikrosystemen zu verbessern und somit die Ablagerungsprozesse aufklären zu können. Die in der ersten Förderperiode entwickelten Algorithmen mit verbesserter Messgenauigkeit und Ortsauflösung sollen zur Analyse der Strömungsphänomene in Hochdruckmikrodispergierern eingesetzt werden.
 

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) im Rahmen Forschergruppe 856 "Mikrosysteme für partikuläre Life-Science-Produkte" (http://www.mikropart.de/).
 

 
Partner: Universität Braunschweig, University Purdue

 
 

 
 
Aktuelle Veröffentlichungen:
 
    
 

 
 

 

Strömungskontrolle durch ultraschallgetriebene Mikrobläschenströmungen

Die Manipulation von Gasen und Flüssigkeiten auf Mikroskalen ist essentiell für Biowissenschaften und die chemische Industrie. Sie trägt vor allem in den Bereichen der Zellkulturuntersuchung, der medizinischen Diagnostik und des Wirkstofftransports zum technologischen Fortschritt bei. Herausforderungen in dafür verwendeten Mikrokanälen stellen sich vor allem in der Kontrolle von Mikropartikeln verschiedener Größen, sowie in der Vorbeugung von Verstopfungen an Kanalverengungen.  Aufgrund der vorherrschenden laminaren Strömungen ist es darüber hinaus entscheidend durch geeignete Eingriffe in das Mikrosystem eine Mischung von Fluiden zu erreichen. Mithilfe oszillierender Mikrobläschen kann durch das entstehen einer Sekundärströmung eine effektive Kontrolle der Strömung erreicht werden. Zur Beobachtung und Messung der zugrundeliegenden Prozesse wird eine auf Astigmatismus basierende Methode zur dreidimensionalen Vermessung des Strömungsfeldes verwendet.

 

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).

 

Partner: University of Illinois at Urbana-Champaign (UIUC), USA

 

Bearbeiter: Dipl.-Phys. Andreas Volk

 

 

 

Manipulation und Separation von Partikeln in Mikrokanälen mit akustischen Wellen

Die Manipulation und Separation von Mikro/Nano-Partikeln in Fluiden gewinnt in vielen Forschungsfeldern zunehmend an Bedeutung. In der Biomedizin ist z.B. die zuverlässige Separation von gesunden und kranken Zellen in einem Blutstrom ein wichtiges Anliegen, für das es derzeit keine effiziente Technik gibt. Die Fortschritte im Bereich der Mikrotechnologie ermöglichen nun vielversprechende Verfahren, mit denen diese Aufgaben im Prinzip zuverlässig und effizient durchgeführt werden könnten, da die benötigten Kräfte sehr präzise eingestellt werden können. Besonders attraktiv ist die Verwendung von Ultraschall, da diese Beeinflussungsmethode schonend und rückstandsfrei zur mechanischen Manipulation von Partikeln und Zellen eingesetzt werden kann. Im beantragten Forschungsprojekt soll systematisch untersucht werden, ob sich diese grundlegenden Methode zur Manipulation und Separation von Mikro/Nano-Partikeln nutzen lässt, um unter realistischen Bedingungen (hoher Durchsatz, große Viskosität, deformierbare und nicht kugelförmige Partikel) die gewünschten Ergebnisse zu erzielen. Um dieses Ziel zu erreichen, sollen neu entwickelte volumetrisch arbeitende PTV Messtechniken zusammen mit numerischen Simulationswerkzeugen eingesetzt werden.

 

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG ) im Rahmen einer Einzelförderung im Normalverfahren.

 
Partner: DTU Denmark (Prof. Bruus), Lund University (Prof. Laurell)
            Penn State University (Prof. Huang)

 

Kontaktperson: Dr. Rune Barnkob

 

 

 

Untersuchungen zur Dynamik von Partikeln und deren Interaktion mit dem Trägermedium


Das Ziel des Forschungsprojektes ist es die Dynamik von Partikeln und deren Wechselwirkungen mit festen Berandungen in mikroskopischen Mehrphasensystemen aufzuklären. In mikrofluidischen Mehrphasensystemen beobachtete man häufig das Auftreten von Strömungsinstabilitäten und das Verstopfen der Kanäle. Die Anwendung fortschrittlicher Messtechniken soll hier zum Verständnis dieser Phänomene führen, um die Beeinträchtigung von Mikroreaktoren langfristig zu minimieren. Da bisher numerische und experimentelle Methoden zur präzisen und vertrauenswürdigen Vorhersage und Messung der Partikeldynamik nicht zur Verfügung standen, sind die physikalischen Mechanismen hinter den Phänomenen weitgehend unverstanden. Auf der Seite der numerischen Simulation wird aktuell an verschiedenen Weiterentwicklungen gearbeitet, jedoch fehlen hochwertige experimentelle Daten, um die numerischen Modelle zu validieren. Die dazu nötigen Messtechniken müssen einerseits sehr präzise und mit hoher Auflösung messen, um die kleinen Skalen auflösen zu können, andererseits sind die Strömungsphänomene hochgradig dreidimensional und erfordern die Erfassung der Prozesse im gesamten Volumen. Die Entwicklungen auf dem Gebiet der Lasermesstechniken in den letzten Jahren erlauben es diese Lücke zu schließen und sollen im beantragten Projekt dazu genutzt werden die Strömungsphänomene zu charakterisieren, Sensitivitäten zu bestimmen und eine Datenbasis zur Validierung numerischer Ergebnisse der Projektpartner zur generieren. Das kürzlich vom Antragsteller entwickelte 3D Astigmatismus µPTV Verfahren soll hierbei eingesetzt werden, um die folgenden grundlegenden Fragestellungen wissenschaftlich zu beantworten: Gibt es einen Grenzwert für die Stabilität mehrphasiger Strömungen in Mikrosystemen? Worin liegt die sogenannte „traffic instability“ begründet? Kann das Verstopfen mikrofluidischer Systeme vorhergesagt werden?


Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG ) im Rahmen einer Einzelförderung im Normalverfahren.


Bearbeiter: Dr. Alvaro Marin

 

 

 

Charakterisierung des Einflusses komplexer dreidimensionaler Strömungen in mikrofluidischen Brennstoffzellen auf deren Energiedichte und Brennstoffausnutzung

Mikrofluidik-Brennstoffzellen (MFC) sind neuartige miniaturisierte membranlose Brennstoffzellen, in denen Brennstoff und Oxidationsmittel ohne turbulente Durchmischung nebeneinander strömen. Aufgrund ihres hohen Zukunftspotenzials in wichtigen Industriezweigen (Handys, PDAs, klinische Diagnosegeräte) ist ihre Optimierung und die Verbesserung ihrer Leistung eine weltweite Herausforderung. Eine Möglichkeit, die Energiedichte und Brennstoffausnutzung auf effektive und kostengünstige Weise zu steigern, ist die Ausnutzung von 3D-Strömungen, welche auch Geschwindigkeitskomponenten senkrecht zur Haupt-strömungsrichtung aufweisen. Die Wirksamkeit dieses Konzeptes konnte in einfachen Konfigurationen bereits erfolgreich nachgewiesen werden. Eine systematische Analyse der Phänomene, die eine verbesserte Leistung und Zuverlässigkeit versprechen, steht jedoch noch aus. Im beantragten Projekt sollen daher die Fortschritte bei den volumetrischen Strömungsmessmethoden genutzt werden, um die Auswirkungen von 3D-Strömungen in MCFs systematisch zu untersuchen. Besonders vielversprechend sind hierbei gekrümmte Kanäle, die einfach zu fertigen sind und einen großen Bereich unterschiedlicher 3D-Strömungen aufweisen. Um die Auswirkungen der Strömung auf die Leistung der MFCs gezielt bewerten zu können, sollen folgende wissenschaftliche Fragestellungen schrittweise beantwortet werden: (i) Wie wirkt sich die Stärke der Sekundärströmungen auf die Stromausbeute und die Kraftstoffausnutzung aus? (ii) Welche Rolle spielt die Form und Position Grenzfläche zwischen Brennstoff und Oxidationsmittel? (iii) Können komplexe maßgeschneiderte 3D-Strömungen verwendet werden, um die Leistung von MFCs signifikant zu steigern?

 

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG ) im Rahmen einer Einzelförderung im Normalverfahren.


Bearbeiter: Dr.Massimiliano Rossi