Numerische Beschreibung der Manipulation von nichtsphärischen Partikeln mittels optischer Pinzette - Ein kombinierter optisch-hydrodynamischer Ansatz

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Andreas Ostendorf; Professor Dr. Stefan Turek
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 278168141

• Erstellungsjahr: 2020

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Eine optische Pinzette ist ein rein auf Licht basierendes Werkzeug, das in vielfältiger Form Einsatz finden kann in Bereichen wie der Biologie, der Medizin oder der Mikrotechnik. Ein großer Vorteil dieses Werkzeugs ist, dass mit seiner Hilfe mikroskopisch kleine Bauteile und Objekte berührungslos manipuliert oder transportiert werden können. Dadurch kann eine Beschädigung der empfindlichen Teilchen vermieden werden. Die Bewegung der Teilchen wird dabei ausgelöst durch den Laser der optischen Pinzette. Wenn Mikrobauteile oder andere Objekte mit einer optischen Pinzette manipuliert werden sollen, werden diese üblicherweise in ein umgebendes Flüssigmedium eingebettet. Im vorliegenden Projekt wurde ein numerisches Simulationswerkzeug für diese Anwendungszwecke erstellt und Experimente durchgeführt, sodass die Simulation mit den experimentellen Daten verglichen und verifiziert werden kann. Das erstellte Simulationswerkzeug besteht aus zwei Komponenten, wobei die erste Komponente die auf die Objekte einwirkende optische Kraft berechnet und die zweite sich mit der Simulation des umgebenden Flüssigmediums beschäftigt und insbesondere die auf die Objekte wirkende hydrodynamische Kraft bestimmt. Die Ergebnisse der Simulation wurden mit zwei Experimenten verglichen, beim ersten Experiment wurde die Einfangzeit eines spharischen Partikels bestimmt und im zweiten Fall wurden Mikro-Rotoren mittels optischer Kraft angetrieben und deren finale Drehgeschwindigkeit ermittelt. Die Ergebnisse der Simulation zeigten eine gute Übereinstimmung mit den Experimenten.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Investigation of albumin-derived perfluorocarbon-based capsules by holographic optical trapping. Biomedical optics express 2018, 9 (2), 743–754
  Köhler, J.; Ruschke, J.; Ferenz, K. B.; Esen, C.; Kirsch, M.; Ostendorf, A.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1364/BOE.9.000743)
• A monolithic operator–adaptive Newton–Multigrid solver for Navier–Stokes Equations in 3D, 2019,TU Dortmund, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, Nummer 611
  Jendrny, R. and Mierka, O. and Münster, R. and Turek, S.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.17877/DE290R-20168)
• Numerical Benchmarking for 3D Multiphase Flow: New Results for a Rising Bubble, Radu, F., Kumar, K., Berre, I., Nordbotten, J., Pop, I., Lecture Notes in Computational Science and Engineering, 126, 593-601, Numerical Mathematics and Advanced Applications, Springer, 2019
  Turek, S.; Mierka, O.; Bäumler, K.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.1007/978-3-319-96415-7_54)
• Numerical Simulation and Benchmarking of Drops and Bubbles, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik Nummer 616, Fakultät für Mathematik, TU Dortmund, 616, 2019
  Turek, S.; Mierka, O.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.17877/DE290R-20311)
• Benchmarking and Validation of a Combined CFD-Optics Solver for Micro-Scale Problems, Ergebnisberichte des Instituts für Angewandte Mathematik, Nummer 632, 2020
  Münster, R.; Mierka, O.; Turek, S.; Weigel, T.; Ostendorf, A.
  (Siehe online unter https://doi.org/10.17877/DE290R-21084)