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 seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 512630344

Ziel dieses Projekts ist die Entwicklung und Untersuchung eines optisch induzierten elektrischen Feldes zur Manipulation von mikrofluidischen Tröpfchen in mikrometergroßen Kanälen. Die begrenzte Rekonfigurierbarkeit des elektrischen Potentials durch miniaturisierte Elektroden innerhalb mikrofluidischer Plattformen wird durch die Einführung rein optisch geformter Elektroden überwunden. Rekonfigurierbare und flexible Elektroden ermöglichen die Einführung eines Bottom-up-Ansatzes zur Zusammenstellung von Tröpfchengruppen nach Bedarf, wobei die individuelle Flugbahn und Position jedes Tröpfchens innerhalb einer mikrofluidischen Plattform kontrolliert wird. Durch die Integration von eisendotierten Lithium-Niobat-Kristallen wird in den mikrofluidischen Kanälen ein lokalisiertes elektrisches Feld angelegt, das den photovoltaischen Volumeneffekt hervorruft. Bei der Beleuchtung mit Lichtmustern werden photoinduzierte evaneszente elektrische Felder innerhalb der mikrofluidischen Tröpfchenvorrichtung erzeugt, wodurch das Potenzial für die elektrische Interaktion mit Femto- und Nanoliter-Tröpfchen über Lichtstrukturen maßgeschneidert wird. Für die Integration dieses Kristalls in mikrofluidische Tröpfchengeräte wird ein weiches Lithographieprotokoll verwendet, wobei die Benetzbarkeit für den Tröpfchenfluss in den Kanälen erhalten bleibt (WP1). Die uneingeschränkte räumliche Kontrolle der virtuellen Elektrodenform wird durch Lichtformungstechniken erreicht. Die hohe räumliche Flexibilität, die die optisch geformte Elektrode bietet, macht diesen Ansatz einzigartig für die individuelle Manipulation einzelner Tröpfchen. Unter den zahlreichen Formen, die erzeugt werden können, werden streifen- und ringförmige Lichtmuster verwendet, um die Bewegung und Position von Tröpfchen in Poiseuille-Strömungen (WP2) zu steuern, sie einzufangen oder sie zu zwingen, bestimmten Bahnen zu folgen. Die Fähigkeit des Systems, unterschiedliche und aufeinanderfolgende Operationen an den Tröpfchen durchzuführen, hängt von der Rekonfigurierbarkeit der Systeme und damit von der Reorganisation der Ladung innerhalb des Kristalls sowie von der zeitlichen Reaktion des mikrofluidischen Teils des Systems ab. Die Rekonfigurationsfrequenz wird mit Hilfe spezifischer Experimente gemessen, die darauf abzielen, die verschiedenen Beiträge zur zeitlichen Reaktion der virtuellen Elektrodensysteme zu analysieren (WP3). Schließlich wird diese lichtbasierte elektrische Interaktion genutzt, um Tröpfchen zu manipulieren, um Tröpfchen-Ensembles wie kristallähnliche Strukturen sowie funktionelle Tröpfchencluster in einem Bottom-up-Ansatz zu erzeugen (WP4). Unter den verschiedenen Konfigurationen, die erreicht werden können, wird die Dynamik des Zusammenbaus von Tröpfchen in einer anpassbaren 2d- und 1d-elektrischen Potentiallandschaft beobachtet, sowie die hybride Manipulation durch nano- und mikropartikelbasierte elektrische Verkapselung innerhalb des Tröpfchens untersucht werden.

• DFG-Verfahren: WBP Stelle