Baierl, Cornelius: Untersuchungen zum Einfluss der Magnetfeldgradientenkraft auf Flüssigkeitsströmungen in Mikrokanälen

Abstract in Deutsch:

Zum Aufkonzentrieren oder Bündeln von Lösungen mit paramagnetischen Ionen oder zum gezielten Steuern von Volumenströmen auf mikrofluidischen "Lab-on-a-Chip" - Systemen können magnetische Volumenkräfte genutzt werden. Ziel dieser Arbeit ist es, den Einfluss einer magnetischen Volumenkraft auf ein Fluid mit konzentrationsabhängigem magnetischen Verhalten innerhalb eines Mikrokanals zu untersuchen. Diese Volumenkraft ist als Magnetfeldgradientenkraft bekannt. Mithilfe von Simulationsmodellen werden für ein in der Herstellung befindliches Mikrosystem, mit ferromagnetischen Mikrostrukturen, Vorbetrachtungen zur experimentellen Charakterisierung vollzogen. Durch den Konzentrationsunterschied von im Fluid gelösten Ionen wird besonders in der Nähe eines in der Kanaldecke eingegrabenen ferromagnetischen CoFe - Streifens eine Querströmung senkrecht zur volumenstromgeregelten Hauptströmungsrichtung erzeugt. Ein Permanentmagnet generiert hierbei das benötigte, stationäre Magnetfeld. Die Fragestellung lautet, wie sich die Magnetfeldgradientenkraft in Kombination mit weiteren Volumenkräften auf die hervorgerufene Querströmung auswirkt und welche experimentellen Randbedingungen es zu deren Beeinflussung geben könnte. Um die experimentelle Charakterisierung des vorhandenen mikrofluidischen Systems vorzubereiten, wird zunächst eine Chiphalterung entworfen und die "Astigmatic Particle Tracking Velocimetry (APTV)" zur Messung aller drei Geschwindigkeitskomponenten ausgewählt. Im Rahmen dieser Arbeit werden Simulationen zum mikrofluidischen Chip, bestehend aus einem Y-Kanal mit Elektroden und in der Wand eingelassenen CoFe-Mikrostrukturen, erstellt. Einerseits wird das dreidimensionale Simulationsmodell unter Berücksichtigung eines überlagerten elektrischen Feldes und elektrochemischer Reaktionen an den Elektroden in der Umgebung des CoFe betrachtet. Andererseits wird das Modell ohne elektrochemischen Stoffumsatz untersucht, wobei ein Konzentrationsunterschied an paramagnetischen Ionen durch das Zuführen unterschiedlich konzentrierter Lösungen auf Wasserbasis über die beiden Inlets des Y - Kanals generiert wird. In diesem passiven System wirkt keine Lorentzkraft. Allerdings wird die Strömung der Magnetfeldgradientenkaft durch eine konzentrationsabhängige, dichtegetriebene Strömung überlagert. Hierbei wird festgestellt, dass die konzentrationsabhängige Auftriebskraft für die Strömungsrichtung und die Stärke der resultierenden Querströmung nicht vernachlässigbar ist. Hinsichtlich Stärke der Querströmung und verwendeter Messtechnik wird ein geeigneter Betriebspunkt durch Variation der experimentellen Randbedingungen, wie Position und Größe des Permanentmagneten, Verhältnis der beiden eingespeisten Volumenströme und Gesamtvolumenstrom, gesucht. Für das passive System ist ein zum Mittelpunkt der CoFe - Mikrostruktur zentrierter, zylindrischer Permanentmagnet mit d=12 mm am besten geeignet. Für die experimentelle Charakterisierung des Einflusses der Magnetfeldgradientenkraft sollte ein symmetrischer Zufluss über die beiden Inlets gewählt werden. Es wurde festgestellt, dass der Gesamtvolumenstrom den größten Einfluss auf die Querströmung ausübt. Daher wird der betrachtete Gesamtvolumenstrom durch die mittlere Geschwindigkeit von 1 mm/s in der Hauptströmungsrichtung festgelegt. Im Vergleich zu 0.22 mm/s verändert sich die Stärke der Querströmung, nach oben hin, deutlicher, als jeweils durch die Variation der zuvor aufgeführten Parameter. Um den signifikanten Einfluss der dichtegetriebenen Querströmung zu überprüfen, wurde auf Basis der Laser induzierten Fluoreszenz Technik ein vereinfachtes Experiment für vergleichbare Konzentrationsverhältnisse durchgeführt und qualitativ dokumentiert. Dabei zeigte sich für Flüssigkeiten mit einem geringfügigen Dichteunterschied von 3.3 % eine deutlich größere Durchmischung als bei gleicher Dichte, wo nur Diffusion zu wirken scheint. Das passive Setup bietet mit dem einstellbaren Gesamtvolumenstrom einen gut zugänglichen Parameter für eine anzupassende Querströmung. Gleicht man die Dichte der beiden zugeführten Volumenströme an, so kann die Auftriebskraft vernachlässigt und der Einfluss der Magnetfeldgradientenkraft auf die Querströmung explizit untersucht werden.