Schubspannungen an festen und elastischen Oberflächen durch Ultraschallkavitation

• Antragsteller: Dr. Robert Mettin; Professor Dr. Claus-Dieter Ohl
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 505703537

Wichtige verfahrenstechnische, chemische und biomedizinische Anwendungen basieren auf Scherströmungen, die durch Blasenschwingungen verursacht werden. Dies motiviert eine nähere Untersuchung zum besseren Verständnis und Optimierung der Anwendungen. Oft sind akustische Kavitationsblasen involviert, wofür im technischen Bereich die Beispiele Ultraschallreinigung, Mischen von Flüssigkeiten, Sonochemie oder Wärmetauscher stehen. Biomedizinische Beispiele beinhalten u.a. ultraschallgesteuerte Medikamentengabe und Öffnung der Blut-Hirn-Schranke, Zellaufschluss oder Desinfektion. Lange Zeit war die Forschung auf die extremen Vorgänge beim heftigen Kollaps von Kavitationsblasen fokussiert, z.B. Stoßwellen und Jetströmungen. Neuere, sensitivere Anwendungen haben aber gezeigt, dass auch schwächer schwingende Blasen signifikante mechanische Effekte auf feste oder elastische Oberflächen ausüben können. Dies geschieht im Wesentlichen über Schubspannungen, die durch induzierte Strömungen in der Nähe der schwingenden Blasen entstehen. Während bisher Einfluss und Modifikation von Oberflächen durch derartige Schubspannungen überwiegend qualitativ untersucht wurden, bleiben quantitative Messungen eine große Herausforderung. Dies gilt auch für potentielle Möglichkeiten der gezielten Steuerung dieser Scherkräfte. Das Projekt CaviStress konzentriert sich nun auf die Quantifizierung der Blasen-induzierten Schubspannungen über theoretische, numerische und experimentelle Untersuchungen der Wechselwirkung von oszillierenden Blasen mit benachbarten Oberflächen. Das wesentliche Ziel des Projekts ist die Kontrolle und Optimierung der durch schwingende oder kollabierende Blasen erzeugten wandnahen Kräfte für Anwendungen bei (i) der Oberflächenreinigung sowie (ii) der Molekülaufnahme durch biologische Zellen. Hierzu werden zunächst die durch oszillierende Blasen generierten Strömungen in der freien Flüssigkeit sowie für die Fälle einer festen und einer elastischen benachbarten Oberfläche theoretisch und numerisch untersucht. Diese fundamentalen Ergebnisse werden mit Experimenten verglichen, in denen kontrollierte Blasenschwingungen für einzelne und auch für mehrere oder viele Blasen präpariert werden. Nach einer Charakterisierung der Strömungen können die Schubspannungen bestimmt werden. Die experimentellen Untersuchungen des Einflusses auf feste Oberflächen konzentrieren sich weiterhin auf die Skalierung bei Parametervariation mit dem Ziel der zerstörungsfreien Reinigung sensitiver Objekte. Parallel dazu wird die Wirkung auf elastische Grenzflächen über das Eindringen von Fremdmolekülen in biologische Zellen untersucht. Hierbei wird die Poration der Zellwand in Abhängigkeit der gezielt gesteuerten Blasendynamik bestimmt. Die erwartete Quantifizierung und Differenzierung von Blasen-induzierten mechanischen Effekten ist ein wichtiger Schritt zur Verbesserung von auf Ultraschall basierenden Methoden der Oberflächenreinigung und der gezielten Medikamentengabe.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Professor Dr. Claude Inserra; Professor Dr. Cyril Mauger