Flow of Anisotropic Colloids in Microfluidic Channels and Jets

Titelangaben

Schlenk, Mathias:
Flow of Anisotropic Colloids in Microfluidic Channels and Jets.
Bayreuth , 2018 . - VI, 173 S.
( Dissertation, 2018 , Universität Bayreuth, Bayreuther Graduiertenschule für Mathematik und Naturwissenschaften - BayNAT)

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Abstract

Anisotrope Kolloide sind von enormer Bedeutung sowohl in der Grundlagenforschung, als auch in der Industrie für viele Anwendungen. Diese kolloidalen Partikel beeinflussen entscheidend die Eigenschaften und das Verhalten verschiedener flüssiger und fester Materialien und Substanzen. Die Mikrofluidik ist eine moderne Technologie, die es ermöglicht viele unterschiedliche Experimente u.a. an solchen anisotropen Kolloiden unter sehr kontrollierten und definierten Bedingungen durchzuführen. Die mikrofluidischen Bauelemente, die in der vorliegenden Arbeit verwendet werden, verdeutlichen die ganze Spannweite dieser Methode: Von der Bestimmung der Partikelorientierung diverser anisotroper Kolloide im extrem schnellem Fluss, über ein komplexes Mikrochipdesign zur Partikeltrennung, bis hin zu einem chemikalienbeständigen Mikrochip aus Polytetrafluorethylen (PTFE) zur Untersuchung der in situ Beladung von wurmartigen Kolloiden mit Nanopartikeln.
All diese Beispiele zeigen das Leistungsvermögen und die Vielseitigkeit einer solchen mikrofluidischen Versuchsumgebung. Für ein detailliertes Verständnis der jeweiligen Versuche sind aber auch entsprechend spezifische und leistungsfähige Messtechniken nötig.
In Kapitel 4.1 wurde die Orientierung anisotroper Kolloide in schnellen Flüssigkeitsstrahlen und -tröpfchen untersucht. Hierfür wurden Synchrotron-Röntgen-Streuexperimenten durchgeführt, da diese eine Fokussierung des Röntgenstrahls im µm-Bereich erlauben. Diese Mikrostrahl-Kleinwinkel-Röntgenstreuung (µSAXS) ermöglicht die mikrometergenaue Untersuchung aller Abschnitte entlang eines Mikoflüssigkeitstrahls, beginnend innerhalb der Glas-Mikrodüse, über den Freistrahl und schließlich bis in die Mikrotröpfchen. In allen Teilbereichen zeigen die Experimente unerwartete Änderungen in der Strömungsorientierung anisotroper Partikel, welche allgemein für zylindrische und scheibenförmige Partikel über einen weiten Bereich von Achsenverhältnissen gezeigt werden konnte. Durch zusätzliche fluiddynamische Simulationen konnte die beobachtete Partikelflussrichtung auf die sich ändernden Flussgeschwindigkeitsfelder innerhalb der Mikrostrahlen und -tröpfchen zurückgeführt werden. Diese Erkenntnisse verbessern das Verständnis der Teilchenorientierung in freien Strahlen sowie Tröpfchen und bieten sogar die Grundlage für eine Kontrolle der Teilchenausrichtung in Herstellungs- und Beschichtungsprozessen, sowie diverser Drucktechniken, die auf Flüssigkeitsstrahlen beruhen.
Über die präzise Bestimmung der Partikelorientierung hinaus können Mikrochips auch zur Partikelauftrennung eingesetzt werden. In diesem Zusammenhang wurde in Kapitel 4.2 dieser Arbeit ein neuer Strömungspaltungseffekt entdeckt, der durch Fluoreszenz-, Polarisations- und konfokaler Laser Raster Mikroskopie (CLSM) mit einem ultraschnellen Resonanzscanner für 3D Bildgebung dynamischer Strömungssysteme detailliert analysiert wurde. Damit konnte eine ungewöhnliche Strömungspaltung von anisotropen wurmartigen, aber auch von kugelförmigen Kolloiden in vier Teilströme innerhalb sinusförmiger Mikrokanäle beobachtet werden. Die Spaltung trat dabei erst auf, sobald die Ströme mit viskoelastischer nicht Newtonscher Polymerlösung fokussiert wurden. Dieser Effekt konnte schließlich dazu genutzt werden, um anisotrope wurmartige Mizellen von isotropen Kolloiden, als auch sphärische Partikel unterschiedlicher Größe voneinander zu trennen. Durch Variation der experimentellen Bedingungen: 2D- oder 3D- Fokussierung, gerade oder sinusförmige Kanäle, Sinusperiode und Amplitude, Molekulargewicht, sowie nicht Newtonsche oder Newtonsche Flüssigkeiten, konnten die essentiellen Voraussetzungen für die Strömungsspaltung bestimmt werden. Diese Aufspaltung ergab sich schließlich aus der Kombination von Zonen mit hoher Dehnungs- und Scherrate bei Anwesenheit eines elastischen transienten Polymernetzwerkes, was auch mit anderen Experimenten auf diesem Forschungsgebiet übereinstimmt.
In Kapitel 4.3 wird das Potential von Mikrofluidiksystemen bezüglich der Kontrolle chemischer Reaktionen aufgezeigt. Der Vorteil mikrofluidischer Kanäle liegt in der kontinuierlichen Durch-führung der Synthese unter laminaren Strömungsbedingungen, welche zu wohldefinierten und reproduzierbaren Misch-, Transport- und Reaktionsprozesse führen. Eine Herausforderung bei dieser Synthese ist die chemische Beständigkeit des Chipmaterials. In dieser Arbeit wurde daher ein Mikrofluidikchip entwickelt, der aus einem PTFE-basierten Doppelfokuskreuz und einer Mikroglaskapillare als Auslasskanal besteht. Auf diese Weise konnte eine kontinuierliche in situ Beladung von segmentierten Wurmmizellen mit Metallnanopartikeln durchgeführt werden. Die Verwendung von mikrofluidischen Kanälen erlaubt die Untersuchung sehr kleiner Flüssigkeits-mengen und ermöglicht eine schnelle Variation der Reaktionsparameter zur Optimierung des selektiven Beladungsprozesses. Daher konnten die Beladungskapazität und die Nanopartikel-größe in Abhängigkeit der Flussraten individuell eingestellt und gesteuert werden, was eine hohe Variabilität und bedeutende Verbesserungen zur Realisierung eines maßgeschneiderten Lade-prozesses im Vergleich zu anderen selektiven Beladungsmethoden mit sich bringt.
Zusammenfassend zeigt diese Arbeit das große Leistungsvermögen und die Vielseitigkeit von mikrofluidischen Systemen mit Blick auf ein breites Materialspektrum (Polymere, anorganische Materialien, Komposite) und zusätzlich einen Vergleich zweier unterschiedlicher Strömungs-bedingungen zwischen einem freien Flüssigkeitsstrahl und einer geschlossenen Mikrokanal-umgebung. Die einzelnen Untersuchungen anisotroper Kolloidpartikel liefern in Kombination mit modernen, leistungsfähigen Analysegeräten neue Einblicke in die Orientierungs-, Beladungs , Herstellungs- und Trennprozesse unterschiedlichster Forschungsgebiete.

Abstract in weiterer Sprache

Anisotropic colloids are of extraordinary interest in a wide variety of fundamental research fields, but also basis for many sophisticated applications in industry. These specific particles influence significantly the properties and behavior of various liquid and solid materials and substances. The modern technology microfluidics makes it possible to perform highly diverse experiments e.g. on anisotropic colloids in a very controlled and defined manner. Thus, the microfluidic devices employed in this thesis vary from a setup for the distributional orientation analysis of different anisotropic colloids in ultrafast flow, over a complex microchip design for the separation of anisotropic and isotropic particles, to a highly chemical resistant polytetra-fluoroethylene (PTFE) microchip for the investigation of the in situ loading of wormlike colloids with nanoparticles.
Such diverse experiments show the potential of a microfluidic environment, but also demand specific and powerful measurement techniques. Consequently, all experiments have been carried out in combination with tailor made analytical methods.
The detailed orientation analysis within fast liquid microjets and droplets, studied in chapter 4.1, was performed by using the high quality of brilliant X-ray scattering instruments at synchrotron sources. These instruments have the possibility to focus intense X ray beams down to a few microns in diameter. Hence, microbeam small angle X ray scattering (µSAXS) enables a micrometer precise investigation along a microjet. Those parts span the micro sized nozzle made of a glass capillary, the freejet area and finally the microdroplet region. In all parts, the study reveals unexpected changes in the flow alignment of anisotropic particles which was generally shown for cylindrical and discoidal particles over a wide range of axial ratios. By additional fluid dynamic simulations, the observed particle flow alignment could be related to the changing flow velocity fields within the micro-jets and -droplets. These findings enhance our understanding of particle orientation in free jets as well as droplets and even provide the basis for a control of particle alignment in liquid jet based fabrication, coating and printing techniques.
Beyond the precise determination of particle orientation via microfluidics, microchips can also be applied for particle separation. In this context, a new stream splitting effect was discovered and analyzed via fluorescence-, polarization- and confocal laser scanning microscopy (CLSM) that exhibits modern ultrafast resonance scanners for the detailed 3D imaging of dynamic flow systems, as shown in chapter 4.2. This unique stream splitting of anisotropic wormlike but also of spherical colloids into four substreams was recovered within sinusoidal microchannels. The splitting just occurred when the streams were focused with a viscoelastic non Newtonian polymer solution. This effect could finally be used to separate anisotropic wormlike micelles from isotropic colloids but also spherical particles of different sizes. By variation of the experimental conditions: 2D- vs. 3D-focusing, straight vs. sinusoidal channels, sine period and amplitude, molecular weight and Newtonian vs. non Newtonian fluids, it was possible to reveal the essential preconditions for the stream splitting effect. This splitting is caused by a combination of high extensional and shear rate zones with the presence of an elastic transient polymer network, which is consistent with other experiments in this field of research.
The potential of microfluidic devices to run highly controlled chemical reactions is the focus of chapter 4.3. Microfluidic channels offer the advantage to perform continuous syntheses under laminar flow conditions which give rise to well defined and reproducible mixing, transport, and reaction processes. A challenge, however, is the chemical resistance of the microchip material. In this work, a microdevice was developed by combining a PTFE-based double focused cross and a micro glass capillary as outlet channel. In this way, it was possible to perform continuous in situ loading of patchy wormlike micelles with metal nanoparticles. The use of microfluidic channels therefore allows the investigation of very low amounts of liquids and enables a rapid screening of reaction parameters to optimise the selective loading process. Hence, the loading capacity and the nanoparticles´ size could be individually adjusted and easily controlled by varying the flow rates. Said control in turn provides significant flexibility and improvement in realizing a tailor made loading process compared to other selective loading strategies.
In summary, this thesis demonstrates the great potential and versatility of microfluidic platforms with respect to a broad material spectrum (polymers, inorganic materials, composites) on the one hand and gives a comparison of two different flow conditions between a free liquid microjet and a closed microchannel environment on the other hand. The individual studies of anisotropic colloidal particles in combination with powerful analytical instrumentation reveals novel insights into the orientation, loading, synthesis and separation processes in highly diverse research fields.