Erzeugung kraftvoller Mikroströmungen durch Ultraschall

• Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Aland
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 568855070

Strömungen auf der Mikroskala sind aufgrund kleiner Reynoldszahlen typischerweise langsam und laminar. Dies macht die Fortbewegung in Flüssigkeiten auf kleinen Skalen extrem ineffizient, verglichen mit entsprechenden Vorgängen auf Längenskalen bei denen Trägheitsprinzipien gelten. So kommen menschengemachte Mikroschwimmer bisher trotz umfassender Forschung und großer medizinischer Bedeutung bisher nicht annäherungsweise an zufriedenstellende Geschwindigkeiten heran, um gezielten Medikamententransport im Blutstrom zu ermöglichen. Unser Projekt zielt auf einen Paradigmenwechsel in diesem Bereich ab: eine Buckling-Instabilität geometrisch einfacher Objekte (gasgefüllte Hohlkugeln) kann enorme Fluid-Geschwindigkeiten induzieren, so dass sogar auf der Mikroskala starke Trägheitseffekte auftreten. Die Instabilität kann dabei von außen durch ein Ultraschallsignal gesteuert werden. Das Ziel dieses Projekts ist es, ein fundamentales Verständnis für diesen neuen Mechanismus zu entwickeln. Dazu wird die Interaktion von Hydrodynamik, Festkörpermechanik der Kugelschale, Gasdruck und Formveränderung untersucht, um herauszufinden, wie Flüssigkeit auf der Mikroskale möglichst schnell, zielgerichtet und effizient in Bewegung versetzt werden kann. Unteranderem wird dies auf einen Antriebsmechanismus führen, der um mehrere Größenordnungen schneller ist als bisherige Mikroschwimmer. Die Verknüpfung einfach herstellbarer mikroskopischer Objekte (Hohlkugeln) mit einer billigen und gut kontrollierbaren Energiezufuhr (Ultraschall) eröffnet eine Vielzahl weiterer Anwendungen in der Mikrofluidik. Grundlagen dafür werden in diesem Projekt durch eine interdisziplinäre Zusammenarbeit zwischen Experimenten, theoretischer Modellierung und numerischer Simulation geschaffen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Privatdozent Dr. Gwennou Coupier