Simultane, volumetrische Temperatur- und Geschwindigkeitsmessungen in und um Mikrotropfen zur Analyse und Charakterisierung disperser Zweiphasenströmungen in mikrofluidischen Lab-on-a-Chip Systemen

• Antragsteller: Professor Dr. Christian Joachim Kähler
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 407463169

In den letzten Jahren haben mikrofluidische Analysesysteme in verschiedenen wissenschaftlichen und industriellen Bereichen, wie beispielsweise der Medizintechnik, der Pharmazie, der Chemie, der Biologie, der Verfahrenstechnik usw. stark an Interesse hinzugewonnen. Eine besondere Rolle spielen dabei mikrofluidische Plattformen, die auf der sogenannten Droplet Microfluidics basieren. Bei diesen Systemen werden Proben in flüssige Tropfen mit Volumina von wenigen Mikro- bis hin zu Femtolitern eingebracht, welche von einer nichtlöslichen Phase umgeben sind und im Mikrokanal analysiert. Dadurch ergeben sich erhebliche Einsparungen bei der Menge der benötigten Proben, bzw. Reaktanten und bei der Prozessdauer, wodurch ein großer Teil an Kosten gespart werden kann. Ein essentieller Schritt dieser Verfahren ist die Manipulation und das Sortieren der verschiedenen Tropfen, wobei die präzise Kontrolle der Tropfendynamik mit entscheidend für die Effektivität der Analyseplattform ist. Eine effiziente und häufig verwendete Methode ist die Einsatz von Marangonikräften, die häufig durch Temperaturgradienten an der Phasengrenze induziert werden, beispielsweise mittels eines fokussierten Laserstrahls. Momentan sind die strömungsmechanischen Phänomene, die das Verhalten der Tropfen im Mikrokanal vorgeben, jedoch noch nicht ausreichend verstanden. Aus diesem Grund soll in diesem Forschungsvorhaben eine detaillierte experimentelle Analyse und Charakterisierung der dreidimensionalen und instationären Strömungsphänomene, die bei der Manipulation eines Tropfens im Mikrokanal entstehen, durchgeführt werden. Dazu sollen fortschrittliche optische Messverfahren verwendet werden, die die simultane, hochaufgelöste Vermessung des dreidimensionalen Strömungsfeldes und des dreidimensionalen Temperaturfeldes in und um einzelne Tropfen ermöglichen. Die Ergebnisse werden zu einem verbesserten Verständnis der fundamentalen strömungsmechanischen Gesetzmäßigkeiten führen, die das Verhalten der Tropfen steuern und so zu einer weiteren Effizienzsteigerung und Verbreitung dieser Lab-on-a-Chip Systeme beitragen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen