Manipulation of Monodisperse Emulsions in Microchannels

Abstract

Die Frage wie räumlich auf mikrofluide Kanalnetzwerke begrenzte monodisperse Gelemulsionen auf verschiedene Manipulationen reagieren, wurde in der vorliegenden Arbeit bearbeitet. In verschiedenen Kanalgeometrien wurde die Tropfenanordnung in Abhängigkeit von der Volumenfraktion der dispergierten Phase untersucht, wobei sowohl statische ("passive") als auch schaltbare ("aktive") Kanalgeometrien genutzt wurden. Weiterhin wurden quasi-zweidimensionale Strukturübergänge an statischen Tropfenanordnungen in Abhängigkeit von der lateral aufgeprägten Kraft betrachtet. Schließlich wurden mehrere Methoden, insbesondere die kontrollierte Tropfenerzeugung, die gezielte Elektrokoaleszenz von Tropfenpaaren und die Manipulation von Tropfen in verschiedenen Kanalgeometrien, angewendet, um die Bildung und Manipulation von Fibrinnetzwerken innerhalb von Tropfen zu studieren.Übergänge zwischen bestimmten Tropfenanordnungen in einer durch einen Kanal fließen-den Emulsion können beispielsweise induziert werden, indem die Kanalgeometrie im Verlauf des Kanals verändert wird. Aufgrund der endlichen Energie, die benötigt wird, um eine bestimmte Tropfenanordnung umzuorganisieren, sind diese Übergänge inhärent hysteretisch und hängen nicht nur von der Tropfengröße, sondern auch vom Volumenanteil der dispergierten Phase ab. Es wurden die Tropfenumordnungen für verschiedene Kanalgeometrien, wie Einengungen und Ecken, abhängig vom Volumenanteil und Tropfengröße studiert. Des Weiteren war auch der Einfluss der Volumenfraktion und der Tropfengröße auf Übergänge in der Tropfenanordnung bei Einwirkung einer lateralen Kraft Gegenstand der Arbeit.Um die Emulsionsanordnungen in einem Mikrokanal aktiv manipulieren zu können wurden Ferrofluide als kontinuierliche Phase der Emulsion verwendet. Durch das Anlegen von externen Magnetfeldern an die geschlossene Anordnung konnten Übergänge zwischen zwei Tropfenanordnungen beobachtet werden. Dabei wurden vorübergehend ferrofluidische An-sammlungen hergestellt, die die Kanalgeometrie so veränderten, dass Strukturübergänge zu beobachten waren.In Kombination mit einer Technik, bei der gezielt Paare von Tropfen fusioniert werden, wurde die Bildung und Manipulation in situ sowie die Struktur von in Tropfen eingeschlossenen Fibrinnetzwerken untersucht. Im dynamischen Fall, bei dem sich Tropfen kontinuierlich durch die Kanäle bewegen, wurde die Aggregation von Fibrinnetzwerken in Abhängigkeit von der Geschwindigkeitsverteilung im Strömungsfeld innerhalb des Tropfens beobachtet. Wurde der Tropfen aber in der Reaktionskammer bis zur vollständigen Entwicklung des Fibrinnetz-werkes "geparkt" und dann kontrolliert deformiert, wurde anders als im dynamischen Fall eine elastische Wiederherstellung der ursprünglichen Form des Fibrinnetzwerkes beobachtet.