Röhrenförmige phononische Kristalle als Sensorplattform zur (bio)chemischen Analyse von Flüssigkeiten

• Antragsteller: Professor Dr. Ralf Lucklum; Professor Dr.-Ing. Michael Vellekoop
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Akustik ; Analytische Chemie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien ; Messsysteme ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 406626998

Dieses Projekt strebt eine neue Art phononischer Kristalle an, röhrenförmige phononische Kristalle (TPC), und ihre Anwendung als akustischer Sensor, die Tubular Bell. Dahinter verbirgt sich ein grundlegend neues Sensorkonzept zur Zustandsüberwachung von Flüssigkeiten in zylindrischen Strukturen, z.B. Rohre (Chemie) oder Gefäße (Medizin). Die Erstellung zylindrischer Kristalle mit Translations- und Rotationssymmetrie stellt dabei einen wesentlichen, physikalisch herausfordernden Unterschied zu bisherigen 2D und 3D phononischen Kristallen mit einfacher Translationssymmetrie dar. Die technische Herausforderung resultiert letztlich aus dem Wechsel von chemischen Sensoren, die Fluide nur an ihren Grenzflächen vermessen, zu dieser im Volumen messenden Sensorklasse. Die Grundlagen dieses Konzepts werden unter Einbeziehung der Wechselwirkungen zwischen Flüssigkeit und Festkörper erforscht. Dies ermöglicht die Kontrolle akustischer Wellenausbreitung, so dass physikalische und (bio)chemische Eigenschaften von Teilvolumina der in der Röhre eingeschlossenen Flüssigkeiten gemessen werden können. Schlussendlich werden wir eine Sensorplattform erstellen, die aus der Analyse volumetrischer Parameter einen fundamental neuartigen Zugang zu bisher unerforschten (bio)chemischen und medizinischen Effekten innerhalb von Flüssigkeiten und Gemischen bietet.Die Ziele werden anhand von vier Forschungslinien verfolgt:1. Erstellung röhrenförmiger phononischer Kristalle, einer neuen Klasse periodisch strukturierter, elastischer Zylinder für eine Wellenausbreitung entlang der Rotationsachse. Diese Kristalle besitzen völlig neuartige Geometrien, die bisher in der Literatur nicht betrachtet wurden2. Entwicklung komplexer künstlicher Strukturen zur Lokalisierung akustischer Energie in kleine resonante Bereiche. Dies beinhaltet die Wechselwirkung zwischen akustischen und elastischen Feldern auf makro- und mikroskopischer Ebene.3. Die Tubular Bell als neue akustische Sensorplattform. Die umfassende Charakterisierung dieser phononischen Resonatoren ermöglicht es, Eigenschaften eines Analyten, vor allem longitudinale Schallgeschwindigkeit und Dichte aber auch Viskosität und andere Verlustgrößen, mit akustischen Eigenschaften, speziell Resonanzfrequenz und Bandbreite ausgewählter Moden, zu verknüpfen4. Herstellung von Prototypen zum experimentellen Nachweis der theoretischen Ergebnisse und als Demonstrator dieses neuen SensorkonzeptsDas Projekt erfordert interdisziplinäre Zusammenarbeit von Festkörperphysik, Materialwissenschaft, Mikrofertigung und Messtechnik. Wesentliche Meilensteine sind:(i) Nachweis phononischer Bandlücken in mit Flüssigkeit gefüllten zylindrischen Strukturen(ii) Erforschung der Anregung, Ausbreitung und Detektion akustischer Wellen und die Kopplung zu resonanten Schwingungsmoden in diesen Strukturen(iii)Erstellen eines Zusammenhanges von akustischen Größen zu Fluideigenschaften, um die physikalischen Ergebnisse für einen messbaren Sensoreffekt zu nutzen

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Professor Dr. Bernard Bonello; Professor Dr. Yan Pennec