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Mikrofluidische Tröpfchendynamik, ausgelöst durch lichtinduzierte virtuelle Elektroden

Antragsteller Riccardo Zamboni, Ph.D.
Fachliche Zuordnung Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
Experimentelle Physik der kondensierten Materie
Mikrosysteme
Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
Förderung Förderung von 2022 bis 2025
Projektkennung Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 512630344
 
Erstellungsjahr 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Ziel dieses Projekts war die Entwicklung und Untersuchung eines optisch induzierten elektrischen Feldes zur Manipulation mikrofluidischer Tröpfchen. Die begrenzte Rekonfigurierbarkeit elektrischer Potentiale durch miniaturisierte Elektroden innerhalb mikrofluidischer Plattformen wurde durch die Einführung rein optisch geformter Elektroden überwunden. Durch die Integration von eisendotierten Lithiumniobatkristallen wurden lokalisierte elektrische Felder erzeugt, die den starken photovoltaischen Effekt des Materials nutzen. Bei Beleuchtung werden räumliche Ladungsverteilungen in diesen Kristallen durch Licht innerhalb des Kristalls induziert, das als virtuelle Elektroden wirkt. Eine solche Konfiguration ermöglicht eine unbegrenzte räumliche Kontrolle über die Elektrodenform durch fortschrittliche Lichtformungstechniken. Die hohe räumliche Flexibilität, die optisch geformte Elektroden bieten, macht diesen Ansatz einzigartig geeignet für die kundenspezifische Tröpfchenmanipulation unter Verwendung des evaneszenten elektrischen Feldes außerhalb des Kristalls. Es wurden verschiedene experimentelle Konfigurationen erforscht, darunter die Anpassung der Benetzungseigenschaften von mikrogemusterten Oberflächen, die photovoltaische Abgabe von schwebenden Tröpfchen und die Manipulation mikrofluidischer Tröpfchen in mikrometergroßen Kanälen. Letzteres ist besonders wichtig für die Erweiterung des Anwendungsspektrums von geschlossenen mikrofluidischen Kanälen und Schaltkreisen, die aufgrund ihres Potenzials als Lab-on-a-Chip, biomedizinische und chemische Geräte auf großes Interesse stoßen. Die Integration des Kristalls in die herkömmliche Softlithographie wurde durch den Ersatz der Glasschicht in herkömmlichen zweischichtigen Geräten (z. B. PDMS-Bonding) erreicht, wobei die Leistung des mikrofluidischen Geräts erhalten blieb. Insbesondere war die Veränderung der Benetzbarkeit innerhalb der Kanäle vernachlässigbar, so dass mikrofluidische Generatorkonfigurationen unter Verwendung des photovoltaischen Kristalls als Substrat realisiert werden konnten. Darüber hinaus wurde festgestellt, dass die Einführung von Tensiden, die üblicherweise in der Tröpfchenmikrofluidik verwendet werden, den Funktionsmechanismus der virtuellen Elektroden beeinflusst, was zu neuartigen Wechselwirkungen mit Tröpfchen führt. Insbesondere wurde eine große Vielfalt von Koaleszenzregimen in großen Tröpfchenensembles beobachtet und untersucht. Durch die präzise Steuerung der Lichteinwirkung auf die virtuellen Elektroden konnte die Anzahl der an der Koaleszenz beteiligten Tröpfchen je nach Bedarf angepasst werden. Im Rahmen dieses Projekts wurden mehrere Kooperationen eingegangen, von denen eine zur Entdeckung einer neuartigen Technik für das Drucken der im Projekt untersuchten virtuellen Elektroden auf dielektrische Materialien führte. Dieser Durchbruch ebnet den Weg für künftige Anwendungen, bei denen die Eigenschaften des Kristalls die Funktionalität von Geräten verbessern könnten, wie z. B. flexible Substrate und Einwegplattformen für biomedizinische Anwendungen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

 
 

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