Aerosol generation out of thin fluid films using surface acoustic waves
Final Report Abstract
Im Projekt wurden vom Antragsteller grundlegende Untersuchungen zu den wirksamen Mechanismen der Aerosolerzeugung durch Interaktion akustischer Oberflächenwellen mit dünnen Flüssigkeitsfilmen durchgeführt. Hierbei konnten die Eigenschaften typischer, von Interdigitalwandlern angeregter, akustischer Wellenfelder als Triebkraft des Zerstäubungsprozesses analysiert werden, wobei sich deren laterale Amplitudenverteilung als entscheidend für die Prozesseffizienz und die (Langzeit‐)Stabilität der Bauelemente herausstellte. Zudem konnten Einflüsse der Chemie der Chipoberfläche, der geometrischen Randbedingungen und der Flüssigkeitseigenschaften auf die Aerosolerzeugung mit Hilfe der Zerstäubung von Modellflüssigkeiten ermittelt werden. In den Untersuchungen konnte erstmals belegt werden, dass sich die Begrenzung des Volumenstroms der Flüssigkeit auf die Chipoberfläche sehr vorteilhaft für die Aerosoleigenschaften auswirken und als zusätzliche Stellschraube zur in‐situ Kontrolle der Tropfengrößenverteilung genutzt werden kann. Ein stabiles Zerstäubungsregime in Abhängigkeit der SAW‐Leistung und der Flussrate und der Einfluss wichtiger Zerstäubungsparameter auf dieses Regime konnten ermittelt werden. Weiterhin wurde ein neuer Schädigungsmechanismus der Chipoberfläche mit entscheidender Bedeutung für die Erforschung des grundlegenden Mechanismus der Tropfenbildung und die Anwendbarkeit der Bauelemente beobachtet. In einer Studie zur Weiterentwicklung der SAW‐ basierten Aerosoltechnologie konnten für die Flüssigkeitszufuhr erstmals Polymermikrokanäle mit Standardlithografie direkt auf der Oberfläche der piezoelektrischen Chips hergestellt werden. Diese Kanäle, welche mit einer Auflösung unterhalb der SAW‐Wellenlänge reproduzierbar platziert und strukturiert werden können, wurden in Kombination mit stehenden akustischen Wellenfeldern erfolgreich zur Aerosolerzeugung und zur Untersuchung der zugehörigen Grundlagen eingesetzt. Auf diese Weise konnten die Kontrolle über den Zerstäubungsprozess erhöht und die Tropfengrößenverteilung im Aerosol konstruktiv auf kleine Flüssigkeitstropfen mit einstellbarer Größe begrenzt werden, sodass ein Aerosol mit geringerer Verteilungsbreite der Tropfengröße bei hoher Prozessstabilität erzeugt wird. Durch das zum europaweiten Patent angemeldete Verfahren könnten zukünftig SAW‐Bauelemente für die Zerstäubung und weitere akustofluidische Anwendungen im industriellen Maßstab mit hoher Zuverlässigkeit eingesetzt werden. Ein entsprechender miniaturisierter Versuchsaufbau wurde ebenfalls demonstriert. Die im Projekt erstmals beobachteten Schädigungsmuster und deren Ursprung in der Mikrokavitation wurde vor dem Projekt weder beschrieben noch in die Betrachtungen des Zerstäubungsmechanismus einbezogen bzw. in wissenschaftlichen Publikationen sogar ausgeschlossen und war damit überraschend. Die dem Projekt zugrundeliegende wissenschaftliche Publikation wurde bisher mehr als 50x zitiert. Die Projektergebnisse wurden zum Teil im populärwissenschaftlichen Online‐Magazin „Atlas of Science“ (https://atlasofscience.org) publiziert.
Publications
- "Vorrichtung für die Mikrofluidik“, DE‐Patentanmeldung (07/2016)
A. Winkler, S. Harazim
- „Calculation of surface acoustic waves on a piezoelectric substrate using Amazon Cloud Computing“, Comsol Conference, 29981, Grenoble / France (2015)
U. Vogel, M. Spindler, A. Winkler, T. Gemming
(See online at https://doi.org/10.13140/RG.2.1.3493.0648) - „SAW‐based fluid atomization using mass‐producible chip devices“, Lab on a Chip 18, 3793‐3799 (2015)
Winkler, S.M. Harazim, S.B. Menzel, H. Schmidt
(See online at https://doi.org/10.1039/c5lc00756a) - “Influence of viscosity in fluid atomization with surface acoustic waves”, Open Journal of Acoustics 6:3, 23‐33 (2016)
Winkler, P. Bergelt, L. Hillemann, S.B. Menzel
(See online at https://doi.org/10.4236/oja.2016.63003) - „Surface acoustic waves – a new thin film deposition approach for coated conductors“, Proceedings of the 12th European Conference on Applied Superconductivity 26:3, Lyon / France (2016)
A. Kirchner, A. Winkler, S.M. Menzel, B. Holzapfel, R. Hühne:
(See online at https://doi.org/10.1109/TASC.2016.2536807) - „Thin film deposition based on MicroAcoustic Sol Atomization (MASA)“, Journal of Sol‐Gel Science and Technology 78:1, 26‐33 (2016)
Winkler, A. Kirchner, P. Bergelt, R. Hühne and S. Menzel
(See online at https://doi.org/10.1007/s10971-015-3927-6) - „Towards efficient surface acoustic wave (SAW)‐ based microfluidic actuators“, Sensors and Actuators A: Physical 247, 259‐268 (2016)
Winkler, R. Brünig, C. Faust, R. Weser, H. Schmidt
(See online at https://doi.org/10.1016/j.sna.2016.06.006) - „Compact SAW aerosol generator”, Biomedical Microdevices 19:9 (2017)
Winkler, S. Harazim, D.J. Collins, R. Brünig, H. Schmidt, S.B. Menzel
(See online at https://doi.org/10.1007/s10544-017-0152-9)
