On-demand Manipulation von Nanopartikeln in der Akusto-Mikrofluidik: Untersuchung von durch akustische Oberflächenwellen erzeugte Resonanzen des Gesamtsystems

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Armaghan Fakhfouri, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 514021251

Die präzise Manipulation von Submikrometer-Partikeln ist ein zentraler Prozess für zahlreiche Anwendungen in der Nanotechnologie, Biologie und Medizin, und eine hochselektive Partikel-Manipulation der Schlüssel für Vorbereitung, Anreicherung und Qualitätskontrolle. Es wurden bereits eine Reihe von Methoden angewendet, um eine größenabhängige Manipulation zu erreichen. Trotz deutlicher Fortschritte im letzten Jahrzehnt ist die Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet jedoch noch nicht abgeschlossen, und die derzeitigen Methoden zur Manipulation von Nanopartikeln sind oft verbunden mit einer Schädigung der Proben, geringem Durchsatz und hohen Kosten. Eine fortschrittliche biomedizinische Technologie für die Manipulation im Nanobereich könnte die akustische Mikrofluidik sein. Durch eine ausreichend starke Kraftwirkung, berührungslose Handhabung und Biokompatibilität bietet die akustische Mikrofluidik ausgezeichnete Möglichkeiten zur Manipulation mikroskaliger Biopartikel in einer hochgradig kontrollierbaren Weise und auf Grundlage der intrinsischen Eigenschaften der Partikel. In diesen Systemen ist es entscheidend, ein Gleichgewicht zwischen zwei konkurrierenden Mechanismen, der akustischen Strahlungskraft und der akustischen Strömung, herzustellen, um eine selektive Manipulation zu realisieren. Es hat sich gezeigt, dass diese Mechanismen in akustischen Systemen um die Dominanz konkurrieren, mit einem Schwellenwert, der auf der Partikelgröße basiert. Während sich größere Partikel im Resonanzschallfeld sammeln, wird das Verhalten kleinerer Partikel durch das akustische Strömungsfeld diktiert. Die größte Herausforderung, um das volle Potenzial der akustischen Technologien zur Manipulation von Nanopartikeln auszuschöpfen, ist die Überwindung der Dominanz der akustischen Strömung, da sie die strahlungsinduzierte Manipulation von Nanopartikeln stören kann. Dieses Vorhaben zielt darauf ab, die fundamentale Physik der durch akustische Oberflächenwellen hervorgerufenen Resonanzen im Gesamtsystem in flüssigkeitsgefüllten mikrofluidischen Kanälen mit festen (akustisch "harten") Wänden zu erforschen. Im Mittelpunkt des innovativen Ansatzes steht das Erforschen akustischer Moden, die innerhalb einer einzigen mikrofluidischen Plattform angeregt werden, zur Erzeugung komplexer Druckfelder für die gezielte Manipulation von Partikeln und Flüssigkeiten. Darüber hinaus sollen akustische Strömungen unterdrückt werden um eine kontrollierte Manipulation nanoskaliger Partikel auf der Grundlage des Strahlungseffekts zu ermöglichen. Dadurch sollen neue Anwendungsbereiche erschlossen werden, die derzeit als unmöglich gelten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen