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Thomas Frommelt
Mischen und Sortieren mit SAW-Fluidik in Simulation und Experiment
Betreuer: Prof. Dr. Achim Wixforth [Experimentalphysik I]
Datum der mündlichen Prüfung: 09.03.2007
175 Seiten, deutsch , OPUS (Online-Publikations-Server) der Universitätsbibliothek Augsburg
Im Gegensatz zur Mikroelektronik erlebt die Entwicklung mechanischer Mikrobauteile (MEMS) erst seit Mitte der achtziger Jahre einen Aufschwung. Ein Teil der MEMS-Gemeinde wendet die Vorteile der Miniaturisierung auf Laboranwendungen an und konstruiert sog. Labs-on-a-chip bzw. μTAS (Micro total analysis systems). Die Mikrowelt hält jedoch einige Überraschungen bereit, die neuer Konzepte bedürfen. Die Verkleinerung erhöht das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen drastisch und damit den Einfluss der Reibungskräfte. Eine Technik zur Bewegung von Flüssigkeiten muss also ausreichend Leistung aufbringen und dabei kostengünstig herzustellen und einfach zu steuern sein. Eine solche Methode ist das Acoustic Streaming, bei dem durch Schallwellen eine Strömung im Wasser induziert wird. Auf einem piezoelektrischen Substrat, z.B. LiNbO3, kann mit Hilfe eines Schallwandlers (IDT) eine Oberflächenwelle (SAW) erzeugt werden [White65], wie sie von Lord Rayleigh 1885 theoretisch beschrieben wurde [Rayleigh85]. In der Makrowelt kennt man solche Rayleigh-Wellen als Erdbeben. Wird auf das Substrat nun eine Flüssigkeit abgesetzt, so wird diese periodisch durch die SAW angeregt. Die entstehende Schallwelle in der Flüssigkeit bewirkt Acoustic Streaming, das zum Transport innerhalb der Flüssigkeit, aber auch des Fluidvolumens selbst verwendet werden kann. In den letzten Jahren wurde eine breite Palette von Anwendungen erschlossen. Die vorliegende Arbeit führt diese Entwicklungen auf theoretischer und experimenteller Ebene fort. Dazu wird in Kapitel 2 eine Einführung in die Theorie akustischer Wellen im Festkörper gegeben. In Kapitel 3 stellen wir den Cantilever-Pin-Probenhalter vor, auf dem unsere Mikrofluidik-Chips temperaturgeregelt und frei zugänglich unter dem Auflichtmikroskop betrieben werden. Ferner werden die Steuerungssoftware zur Ausführung benutzerdefinierter Mikrofluidik-Programme und die Design-Anwendungen zur Herstellung von SAW-Mikrofluidik-Chips beschrieben. In Kapitel 4 erörtern wir die SAW-Fluidik als theoretisch anspruchsvolles und interessantes Multiskalenproblem: Die Periodendauer der Schallwelle beträgt etwa 1E−8 s, das Acoustic Streaming ist aber ein zeitgemittelter Fluidik-Effekt auf der Skala von Sekunden. Auch die Längenskalen unterscheiden sich enorm. So bewegt sich die SAW-Amplitude zwischen 1E−10 m und 1E−9 m, die Wellenlänge ist etwa 1E−5 m und die Ausdehnung der Flüssigkeit erreicht bis zu 1E−3 m. Diese Problematik führt die aktuelle Simulationstechnik an ihre Grenzen. Wir legen dar, dass die FEM-Simulation des Acoustic Streaming durch Zeitmittelung der zeitabhängigen Lösung der kompressiblen Navier-Stokes-Gleichung nur in 2d Geometrien effizient ist [Köster06A]. In experimentell relevanten 3d Gebieten übersteigt die FEM-Simulation der Akustik die Speicherkapazität moderner Rechner bei weitem und würde Rechenzeiten von mehreren Monaten erfordern. Für unsere 3d Experimente entwickeln wir einen Raytracing-Algorithmus und ein Kraftmodell, dessen Proportionalitäten und eingehende Konstanten aus Experiment und Literatur abgeleitet werden. Die entwickelten Module simulieren das 3d Acoustic Streaming dann schnell und umfassend von der Anregung der SAW bis zur Fluidik. Kapitel 5 beschäftigt sich mit Mischen in der SAW-Fluidik. Für Lab-on-a-chip-Reaktionen ist eine homogene Durchmischung notwendig, die innerhalb kurzer Zeit mit geringem Energieaufwand erzielt werden muss. In der Mikrofluidik stellt Mischen eine komplexe Aufgabe dar, da in den laminaren Strömungen scheinbar nur die Diffusion zur Durchmischung führen kann. Damit dies in akzeptabler Zeit stattfindet, benötigt man Geometrien, deren Ausdehnungen senkrecht zur Flussrichtung wenige Mikrometer groß sind. In beliebig geformten Geometrien tut demnach ein alternatives Konzept Not. Das von Hassan Aref theoretisch erforschte Prinzip der chaotischen Advektion [Aref84] wurde bereits in Kanalströmungen zur Mischung herangezogen [Stroock02]. Wir führen die chaotische Advektion in einem zylindrischen Wasservolumen herbei, in dem weder Turbulenzen noch Diffusion eine Rolle spielen. Zu verschiedenen Antriebskonfigurationen werden die optimalen Betriebsparameter in Experiment und Simulation ermittelt. Dazu berechnen wir in beiden Fällen den inversen Variationskoeffizient auf einer systemrelevanten Skala als Maß für die Mischungsqualität. Den Abschluss der Arbeit bildet in Kapitel 6 eine Machbarkeitsstudie über Sortiermechanismen. Der erste Teil beschäftigt sich mit gezielter Migration von Teilchen durch Dielektrophorese. Mit dem Effekt der negativen Dielektrophorese wird so eine Umleitung von Teilchen in Mikrofluidik-Kanälen realisiert. Die positive Dielektrophorese dient zur Abscheidung von einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren aus der Strömung. Die Optimalfrequenz zur Abscheidung bestimmen wir durch Messung der Impedanzänderung mit einem Richtkoppler. Im zweiten Teil stellen wir eine Methode zur größenselektiven Akkumulation von Teilchen in Wirbeln vor.