Untersuchung elektrokinetischer Strömungen in Mikrokanälen mit internen Elektroden

Elektrokinetische Effekte lassen sich dazu nutzen, Flüssigkeiten und Partikel in Mikrokanälen zu pumpen oder zu transportieren. Ermöglicht wird dies durch eine inhomogenen Ladungsverteilung nahe der Fest-Flüssig-Phasengrenze (Kanalwand), welche als elektrische Doppelschicht bezeichnet wird. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes wirken in dieser Schicht elektrische Kräfte, die elektrokinetische Effekte wie Elektroosmose und Elektrophorese hervorrufen. Typischerweise werden die elektrischen Felder durch externe Elektroden erzeugt, welche sich außerhalb des Kanals befinden. In der vorliegenden Arbeit hingegen werden Strömungen untersucht, welche durch interne, auf die Kanalwände aufgebrachte Elektroden erzeugt werden. Die experimentellen Untersuchungen erfolgen mit Hilfe des µPIV-Verfahrens. Bei diesem Verfahren werden kleine Partikeln dazu verwendet, die Strömung sichtbar zu machen, sodass aus der Partikelbewegung auf die Strömung des Fluids geschloss en werden kann. Kritisch ist hierbei, dass durch das elektrische Feld auch elektrische Kräfte auf die Partikel wirken. Dadurch wird die Partikelbewegung sowohl durch Strömungskräfte als auch durch elektrische Kräfte verursacht. Das mittels µPIV bestimmte Geschwindigkeitsfeld entspricht deshalb nicht mehr dem Geschwindigkeitsfeld des Fluids. Um das Verhalten der Partikel als Folge der elektroosmotischen Strömung und der elektrophoretischen Kräfte besser zu verstehen, werden numerische Berechnungen durchgeführt. Die elektroosmotische Strömung wird auf Basis des Hydrid-Modells und die Partikelbewegung über einen Lagrange-Ansatz berechnet. Aus den Erkenntnissen der numerischen Berechnungen werden verschiedene Strategien entwickelt, die es ermöglichen die reine elektroosmotische Strömung der Flüssigkeit zu extrahieren.