Dynamics of soft interfaces in droplet-based microfluidics

Abstract

Diese Doktorarbeit untersucht die verschiedenen dynamischen Prozesse, welche sich an der Tropfenoberfläche abspielen, und der Methoden, die für deren Untersuchung verwendet wurden. Das Ziel dieser Arbeit ist es, die entscheidenden Eigenschaften, die einen Einfluss auf das mechanische Verhalten der Grenzfläche haben, zu identifizieren. Wir verwenden die hydrodynamisch erzwungene Deformation eines Tropfens in einem Mikrokanal, um die mechanischen Eigenschaften der Oberfläche zu untersuchen. Diese Methode wird auf drei verschiedene Fälle angewendet. Als erstes verfolgen wir die zeitliche Entwicklung einer Grenzflächenverformung, um die Dynamik der Tensidadsorption an einer Oberfläche zu untersuchen. Dabei kalibrieren wir die Tropfenverformung als Funktion von Tropfengröße und Oberflächenspannung. Diese Technik wird auf den Fall eines perfluorierten Tensids, welches von industriellem und wissenschaftlichem Interesse ist, angewendet. Wir zeigen die Möglichkeit von Messungen der dynamischen Oberflächenspannung auf Zeitskalen von zehn Millisekunden und gewinnen daraus kinetische Eigenschaften der Moleküle. Wir vergleichen die Dynamik, welche mit der klassischen Pendant-Drop-Methode gemessen werden kann mit denen der Mikrofluidik. Es zeigt sich, dass die Adsorption für den Pendant Drop von der Di usion begrenzt wird, während in der Mikrofluidik die Anbindung an die Oberfläche der langsamere Prozess ist. Der Unterschied entsteht durch das Flussprofil in der Mikrofluidik, welches konvektiven Transport induziert. Danach untersuchen wir die Verformung unter verschiedenen räumlichen Beschränkungen im mikrofluidischen Kanal. Die Tropfenverformung wird mit einer zweidimensionalen numerischen Simulationen und mit einem dreidimensionalen Modell eines Rotationsellipsoids verglichen. In beiden Fällen wird eine qualitative Übereinstimmung festgestellt, jedoch existieren auch spürbare Abweichungen vom Experiment. Die Abweichungen vom zweidimensionalen Modell ist erklärbar mit dem sinkenden Einfluss der viskosen Spannungen mit der Kanalhöhe, hervorgerufen durch Beiträge von Deformationen außerhalb der Beobachtungsebene, welche von dem Modell nicht wiedergegeben werden. Die Abweichungen vom dreidimensionalen Modell kommen von den räumlichen Beschränkungen, welche die Tropfenform von einem Rotationsellipsoid abweichend verformt. Die Untersuchung zeigt die Schwierigkeiten bei der Beschreibung von viskosen Kräfte für Abmessungen, die zu groß sind um als zweidimensional betrachtet zu werden, aber wo die Wechselwirkungen mit den Kanalwänden nicht vernachlässigbar sind. Wir diskutieren ebenfalls den Fall der trägen Relaxation des Tropfens bei Reynoldszahlen von Re 10, für welchen Oszillationen der Tropfenoberfläche beobachtet werden. Wir zeigen, dass die Oszillationen als hydrodynamische Analogie zu einer hookeschen Feder beschrieben werden können, wobei die Oberflächenspannung als Federkonstante fungiert und die Dämpfung durch die Viskosität der Flüssigkeit bestimmt wird. Die Methode liefert korrekte Ergebnisse sowohl für reine Grenzflächen als auch für Grenzflächen mit Tensiden, was zu einer zusätzliche Möglichkeit führt, die Oberflächenspannung aus der Frequenz der Verformungen zu bestimmen. Die viskose Relaxation wurde auch hierbei von den Kanalwänden beeinflusst. Als letztes wenden wir die Methode der mikrofluidischen Tensiometrie auf die Kinetik einer Polymerisationsreaktion auf der Tropfenoberfläche an. Der Einfluss der Reagenzkonzentration auf die Reaktionszeit wird untersucht, ebenso wie der E ekt der Gegenwart von Tensidmolekülen. Erste Ergebnisse dieser Untersuchung zeigen, dass die Deformation einer komplexen Grenzfläche nicht mehr allein durch die Oberflächenspannung beschrieben werden kann. Vielmehr muss die Beschreibung der mechanischen Eigenschaften der Grenzfläche notwendigerweise die Entstehung der Viskoelastizität an der Oberfläche mit in Betracht ziehen. Diese Erkenntnis erö net neue Möglichkeiten, mit Hilfe von Mikrofluidik die mechanischen Eigenschaften von komplexen Grenzflächen, wie zum Beispiel kolloidbesetzte Grenzflächen oder Membranen, zu charakterisieren.