Dreidimensionale phononisch-fluidische Systeme für die Analyse und Beeinflussung von Flüssigkeiten und Gemischen

• Antragsteller: Professor Dr. Frieder Lucklum
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Akustik ; Mechanische Eigenschaften von metallischen Werkstoffen und ihre mikrostrukturellen Ursachen ; Messsysteme
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 413261500

Dieses Projekts strebt eine grundsätzlich neue Art von Mikrosystemen an, sogenannte phononisch-fluidische Systeme. Diese basieren auf der Kombination von phononischen Mikrostrukturen mit Mikrofluidik. Dadurch werden neuartige Bauteile zur akustischen Analyse und Beeinflussung von Fluiden ermöglicht, von einfachen Flüssigkeiten wie Wasser oder Alkohole, reinen Gemischen und Lösungen, bis zu komplexen Fluiden wie Zellkulturen oder Blut. Als theoretisches Fundament wird die akustische und elastische Wellenausbreitung in solch mikrostrukturierten Materialien untersucht. Die schnelle Weiterentwicklung der additiven Fertigung bildet die technologische Grundlage, um komplexe 3D Geometrien und die Integration mehrerer Funktionalitäten in einem Element zu realisieren.Phononische Kristalle sind das akustische Pendant zu photonischen Kristallen in der Optik, sie beeinflussen die akustische Wellenausbreitung aufgrund ihrer besonderen Bandstruktur. Die additive Herstellung wird hierbei für neuartige 3D Geometrien genutzt, mit akustischen Eigenschaften, die nicht mit entsprechenden 2D Strukturen möglich sind. Als erstes Konzept wird der Einbau fluidischer Elemente als Defekt in einem phononischen Kristallgitter in dieser Arbeit untersucht. So kann ein akustischer Resonator aus einer fluidischen Kavität umgeben von phononischen Kristallen erstellt werden. Dieser vereint insbesondere die hohe Genauigkeit resonanter Sensoren mit der Eigenschaft von Ultraschallsensoren, volumetrische Fluidparameter zu messen. Die Kavitätsresonanz soll dabei innerhalb einer phononischen Bandlücke liegen. Dies führt zu einem Sensorpeak von hoher Güte getrennt von anderen Störsignalen für die hochgenaue Vermessung von Schallgeschwindigkeit, Dichte und Viskosität in Flüssigkeitsvolumen.Weitere Forschungsarbeit beinhaltet die vollständig dreidimensionale Anordnung phononischer Strukturen um und innerhalb eines Fluidkanals. Hierbei ergeben sich neue Konzepte, die schlussendlich verschiedene physikalische Funktionalitäten in einer einzelnen Struktur vereinen. So werden Wellenleiter in das Kristallgitter um einen Kanal eingebaut, die die akustische Energie an beliebigen Stellen fokussieren, wodurch eine räumlich lokalisierte Untersuchung einer Strömung möglich ist. Schließlich sollen periodische Mikrostukturen in einen Kanal geschrieben werden, welche erstmals gleichzeitig als fluidischer Filter und akustischer Partikeldetektor fungieren.Zusammenfassend umfasst das Projekt folgende Ziele:1. Theoretische und technologische Grundlagen für Design, Herstellung und Charakterisierung von 3D phononischen Kristallen mit optimierten Bandstrukturen.2. 3D phononisch-fluidischer Kavitätssensor als hochsensitive Methode zur örtlichen Messung volumetrischer Eigenschaften von Flüssigkeiten und Gemischen.3. Demonstration mehrerer physikalischer Funktionalitäten in einzelnen Elementen durch die Integration von phononisch-fluidischen Mikrostrukturen für Partikeldetektion und -beeinflussung.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Dänemark