Marangoni-Antrieb in Mikrosystemen - Prinzip und Potential der Wandlung von Oberflächenspannungsgradienten in Bewegung

• Antragstellerin: Professorin Dr.-Ing. Clarissa Schönecker
• Fachliche Zuordnung: Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 501107071

Strömungen in Mikrosystemen, d.h. in Geometrien mit Abmessungen < 1mm, werden sehr stark von den Eigenschaften der Oberfläche bestimmt, da der Anteil an Oberfläche in Mikrosystemen sehr viel höher als in großen Systemen ist. Daher sind andere Antriebskonzepte für Strömungen notwendig bzw. effizienter. Marangoni-Spannungen greifen direkt an der Oberfläche, d.h. direkt an den maßgeblichen Stellen eines Mikrosystems. In diesem Projekt sollen sie im Hinblick auf ihre Funktionsmechanismen und ihr Potential, eine Grundlage für Antriebsmechanismen in Mikrosystem zu bilden, untersucht werden. Darüber hinaus bergen Marangoni-Spannungen das besondere Potential, Licht oder Wärme in Vortrieb umzusetzen. Startpunkt für die Untersuchungen sind neu entwickelte Konzepte für die Gestaltung von Oberflächen und damit für den Angriffsweise von Oberflächenspannungsgradienten. Anhand dieser Konzepte sollen die Funktionsmechanismen von Marangoni-Antrieben in Mikrosystemen verstanden werden. Dazu wird eine Kombination aus hochgenauen Messungen von Strömung und Temperatur (mittels Fluoreszenzkorrelationsspektroskopie und Konfokalmikroskopie) und theoretischer Modellierung und Simulation verwendet. Basierend auf dem so gewonnenen Verständnis sollen wiederum Strategien für effiziente Antriebe entwickelt und ihre Anwendungsmöglichkeiten ausgelotet und beurteilt werden. Auf diese Weise sollen Grundlagen für neue Antriebsmechanismen gelegt werden. Im Projekt werden zwei grundlegende Strömungsszenarien unterschieden. Für den Fall eines an einer festen Oberfläche vorbei zu bewegenden Fluids, z.B. mit dem Ziel eine Flüssigkeit zu pumpen, soll das neue Konzept flächige Abwärme nutzen, welche in eine Fortbewegung umgesetzt wird. Dies würde deutliche Vorteile gegenüber bisherigen Ansätzen bringen, welche auf die technisch komplexe Umsetzung eines Temperaturgradienten entlang der Oberfläche angewiesen sind. Auch bisherige Konzepte sind in ihrer physikalischen Funktionsweise noch nicht ausreichend verstanden. Für den Fall, dass ein festes Objekt gegenüber einem Fluid bewegt werden soll, welches der Bewegung eines Mikroschwimmers oder -partikels auf einer Oberfläche entspricht, werden zwei neue Konzepte verfolgt. Diese bieten gegenüber existierenden Antrieben den Vorteil, dass sie eine flächige Beleuchtung in einen Vortrieb umsetzen sollen. Dieser optische „light-to-motion“-Ansatz ist unabhängig von einer spezifischen Art von „Treibstoff“ zum Antrieb der Partikel, welche mitgeführt werden müsste und sich naturgemäß verbraucht. Er hängt nicht vom Vorhandensein bestimmter Chemikalien ab, z.B. an der Grenzfläche. Eine weitere Herausforderung, z.B. für die Verwendung von Mikropartikeln als Mikro-Transporter, liegt außerdem in der aktiven Steuerbarkeit der Transporter. Hierfür soll ein neuer optischer Ansatz basierend auf polarisiertem Licht getestet werden.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen