Selektivität der Trennung halbleitender und beschichteter Partikel mittels inhomogener Wechselfelder

• Antragstellerin: Dr.-Ing. Laura Weirauch
• Fachliche Zuordnung: Mechanische Verfahrenstechnik
• Förderung: Förderung seit 2026
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 579999905

Die Aufreinigung und Sortierung von Nano- und Mikropartikeln ist ein industriell hoch relevantes Thema. Partikelsysteme mit spezifischen Eigenschaften sind für zahlreiche Hochtechnologieprodukte essenziell, wie zum Beispiel für Photovoltaikzellen, Energiespeicher, Sensorik oder Mikroelektronik. Klassische Trennverfahren stoßen oftmals im unteren Mikrometerbereich an ihre Grenzen, sind wenig effizient oder nicht nachhaltig. Besonders anspruchsvoll ist dabei die Separation von Partikeln mit nahezu identischer Größe und Form, aber unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften. Eine mechanische Trenntechnik, welche vor allem aufgrund ihrer hohen Selektivität im bioanalytischen Bereich Anwendung findet, basiert auf der dielektrophoretischen Kraft. Dielektrophorese (DEP) ist die Bewegung von polarisierbaren Partikeln in einem inhomogenen elektrischen Feld. DEP kann verwendet werden, um Partikel im Nano- und Mikrometerbereich selektiv an Oberflächen von Elektroden oder Filtermedien zurückzuhalten. Trennverfahren, die auf DEP beruhen, sind somit nicht-invasiv und Partikel können ohne Veränderungen ihrer Eigenschaften manipuliert werden. Dies bietet ein hohes Potenzial für eine nachhaltige Prozessführung, da die getrennten Partikel direkt wiederverwendet werden können und der Einsatz problematischer Chemikalien entfällt. Eine Besonderheit ist, dass die DEP Kraft sowohl in ihrer Stärke als auch in ihrer Wirkungsrichtung durch Anpassung der Amplitude und Frequenz des verwendeten elektrischen Feldes steuerbar ist. Somit ist der Prozess an verschiedene Partikelsysteme anpassbar und unterschiedliche Partikeleigenschaften wie Größe, Material oder Form können adressiert und selektiv voneinander getrennt werden. Primär werden DEP Trennverfahren in mikrofluidischen Aufbauten umgesetzt und der Forschungsfokus liegt hauptsächlich im (bio-)medizinischen Bereich. Aufgrund dieser Ausrichtung besteht wenig Wissen zur Polarisation und zur Trennung von technisch relevanten Partikeln. Ziel des Projekts ist es, die Grundlagen für die Trennung von Partikelsystemen aus Halbleitermaterialien bzw. (heterogen) beschichteten Partikeln zu schaffen. Die Abtrennung solcher Partikel mittels inhomogener elektrischer Felder wurde bisher kaum erforscht und Trennungen konnten allenfalls im mikrofluidischen Maßstab realisiert werden. Das Projekt vereint experimentelle Arbeiten und theoretische Modellierung, um die Grundlagen zur Polarisation von halbleitenden und beschichteten Mikropartikeln in inhomogenen elektrischen Feldern zu erforschen. Das erlangte Wissen soll genutzt werden, um hochdurchsatzfähige DEP Trennaufbauten auslegen und auf technisch relevante Partikelsysteme erweitern zu können. Die Ergebnisse dieses Projektes sollen die Potenziale dieser Technologie für industrielle Anwendungen aufzeigen und können innovative Ansätze für nachhaltige Alternative zu klassischen Trenn- und Recyclingverfahren liefern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen