Mikrofluidik

MIKROFLUIDEN

Mikrofluidik ist die Wissenschaft von der Manipulation und Kontrolle von Flüssigkeiten durch Mikrokanäle. Für diese Art der Forschung sind mikrominiaturisierte Geräte erforderlich, die Kammern enthalten, durch die Flüssigkeiten fließen oder eingeschlossen sind. Mit einem mikrofluidischen Chip können Flüssigkeiten bis hinunter zu Femtolitern (fL) transportiert, gemischt, getrennt, verarbeitet oder visualisiert werden. Flüssigkeiten verhalten sich im mikrometrischen Maßstab anders als in einer normalen Umgebung, und dieses einzigartige Verhalten ist für die wissenschaftliche Forschung und detaillierte Experimente wichtig.

Seit Jahren wird die Hochgeschwindigkeitsbildgebung in den folgenden Branchen für die mikrofluidische Forschung und Analyse eingesetzt: Wissenschaft, Medizin, Biotechnologie, Energie, Chemie, Biologie, Pharmazeutik und mehr. Hochgeschwindigkeitskameras sind in der Lage, große Datenmengen für die Zeitlupenanalyse zu erfassen.

Hochgeschwindigkeitsabbildung von Mikrotröpfchen, die auf eine Oberfläche mit Benetzungsmuster gespritzt werden
Es werden experimentelle Ergebnisse auf der Grundlage von Hochgeschwindigkeitsaufnahmen von mikroskopisch kleinen Tröpfchen vorgestellt, die auf eine hydrophobe Oberfläche mit hydrophilen Linien gestrahlt werden. Die Auswirkungen der hydrophilen Linie und des anfänglichen Aufprallabstands von der Linie auf das Ausbreitungsverhalten der Tröpfchen werden untersucht. Es wurden zwei unterschiedliche Prozesse identifiziert, nämlich der Zentrierungs- und der Anpassungsprozess. Während des Zentrierungsprozesses wandern die Tropfen, die in einem bestimmten Abstand von der Mitte der hydrophilen Linien auftreffen, in Richtung der Mitte der Linie. Ein Tröpfchen mit einem größeren Versatzabstand wird langsamer zentriert. Bei diesem Anpassungsprozess dehnen sich die Tröpfchen entlang der hydrophilen Linie aus, wodurch sie sich dem Benetzungsmuster anpassen. Die Ergebnisse dieser Studie können im Tintenstrahldruckverfahren angewendet werden, um die Genauigkeit des Materialauftrags und die Toleranz der gedruckten mikroskopisch kleinen Merkmale zu verbessern.

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Mit einem kontinuierlichen Wellenlaser erzeugte Strahlen für nadelfreie Anwendungen
Wir haben ein mikrofluidisches Gerät für die Erzeugung von Flüssigkeitsstrahlen durch Thermokavitation entworfen und gebaut. Ein Dauerstrichlaser wurde in einer mit einer lichtabsorbierenden Lösung gefüllten Mikrokammer fokussiert, um eine schnell expandierende Dampfblase zu erzeugen. Die Kammer ist mit einem Mikrokanal verbunden, der den Flüssigkeitsstrahl fokussiert und durch den Ausgang ausstößt. Das Blasenwachstum und die Strahlgeschwindigkeit wurden in Abhängigkeit von der Geometrie der Vorrichtung (Kanaldurchmesser D und Kammerbreite A) gemessen. Die schnellsten Strahlen entstanden bei einer relativ großen Kammergröße im Verhältnis zum Kanaldurchmesser. Bei einem Kanaldurchmesser von [Formel: siehe Text] und einer Kammergröße von [Formel: siehe Text] wurden langgestreckte und fokussierte Strahlen von bis zu 29 m/s erzielt. Das vorgeschlagene CW-Laser-basierte Gerät ist möglicherweise eine kompakte Option für einen praktischen und kommerziell realisierbaren nadelfreien Injektor.

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Kontaktloses Sieden: Ein Weg zur Verbesserung der Zuverlässigkeit von Mikrofluidikprozessen?
Die Verfügbarkeit von MEMS-Produktionstechniken ermöglichte die Massenproduktion von kleinen Fluidiksystemen. Der geringere Kostenaufwand bedeutet, dass wichtige Teile eines Systems zu Wegwerfeinheiten werden, was die Wartbarkeit und Kontrollierbarkeit verbessert. Kleine Kanaldurchmesser erfordern jedoch besondere Sorgfalt in Bezug auf Verschmutzung, Zuverlässigkeit und thermomechanisches Management. In der aktuellen Untersuchung wird ein spezieller Aufbau realisiert, der darauf abzielt, durch das Vorhandensein eines dünnen Gasmantels in der Nähe der Wand ein berührungsloses Sieden zu erreichen. Die Bildung und die mögliche Optimierung dieses blasigen Kissens muss noch weiter erforscht werden. Das Verständnis der Stabilität der dünnen Gasdecke oder der Bildung von Blasenpolstern könnte zur Forderung nach neuartigen Wandstrukturen führen, die mit Hilfe innovativer 3D-Fertigungstechniken realisiert werden können.

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