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Projekt
Präparative Fraktionierung von Kohlenstoffnanoröhren in mikrofluidischen Kanälen durch Kombination von Zentrifugal- und elektrischen Trennfeldern
Antragsteller
Professor Dr.-Ing. Sören Hirsch
Fachliche Zuordnung
Mechanische Verfahrenstechnik
Förderung
Förderung von 2017 bis 2022
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 382064650
Kohlenstoffnanoröhren lassen sich grob nach der Anzahl der Wandschichten in einwandig und mehrwandig unterteilen. Leider führen aktuelle Herstellungsverfahren von einwandigen Kohlenstoffröhrchen häufig zu einer Vermischung von metallischen und halbleitenden Nanoröhren. Üblicherweise liegt hierbei das Anteilverhältnis bei 1 zu 2, so dass der Anwendungsbereich dieser Kohlenstoffnanoröhren stark limitiert ist. In den letzten Jahren sind analytische Trennmethoden von monodispersen Kohlenstoffnanoröhren mittels Dielektrophorese und Feld-Fluss-Fraktionierung im mikrofluidischen Kanal umfassend untersucht und entwickelt worden. Auf diese Weise können die Nanoröhren ihren Formen und elektrischen Eigenschaften nach sortiert werden. Für zahlreiche Anwendungen ist es jedoch erforderlich Trennmethoden weiter zu entwickeln, um eine höhere Trennschärfe bei einem erhöhten Durchsatz zu erreichen. Ziel dieses Projektes besteht in der Entwicklung eines verfahrenstechnischen Prozesses, welcher eine Trennung der halbleitenden von den metallischen Kohlenstoffröhren im präparativen Maßstab ermöglicht. Die Trennung erfolgt hierbei in einem mikrofluidischen Kanal, welcher mit Nanoröhren und metallischen Mikropartikeln gefüllt ist. Beim Anlegen eines elektrischen Feldes zwischen den Wänden des Mikrofluidkanals wird in der Nähe der Mikropartikel ein inhomogenes elektrisches Feld induziert, welches eine Anziehungskraft im elektrischen Feld zwischen metallischen Nanoröhren und Mikropartikeln verursacht. Durch eine Sedimentation im Zentrifugalfeld werden diese Mikropartikel zusammen mit den metallischen Nanoröhren in Richtung eines feldfreien Bereiches des Mikrofluidkanals gedrängt. Die Anziehungskraft ist hierbei geringer und metallische Nanoröhren werden von dem Mikropartikel getrennt und in diesem Bereich konzentriert. Im Unterschied zu den metallischen Nanoröhren bleiben halbleitende Nanoröhren frei beweglich und werden in einer asymmetrischen Strömung in Richtung der entgegengesetzten Wand des mikrofluidischen Kanals geschoben. Die Trennung mit Hilfe von massiven Mikropartikeln kann in relativ großen Mikrofluidzellen bei erhöhten Sedimentationsraten durchgeführt werden. Zuerst wird die Trennung in einer einzelnen Mikrofluidzelle durchgeführt. Die optimalen Prozessparameter wie Frequenz und Amplitude des elektrischen Feldes, Größen, Konzentrationen und Materialien der Mikropartikel, Fließraten und Konzentrationen der Nanoröhren werden ermittelt. Danach wird eine parallele Schaltung von mehreren Mikrofluidkanälen untersucht und optimiert. Die Prozesse in Mikrofluidzellen werden mit Hilfe von MATLAB und COMSOL Multiphysics simuliert.Den Antragstellern folgende Methoden der Charakterisierung von Kohlstoffnanoröhren zur Verfügung: Raman-, Absorption-, Fluoreszenz-, Impedanz-, Röntgen- und Fluoreszenzspektroskopie, sowie zwei ein Reinräume zur Verfügung.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
