Fridolin Okkels, DTUflowcenter.dk/wp-content/uploads/2015/09/Mikroflow-med...2010/03/17 · Topologi optimeret kemisk mikroreaktor. Stillet til rådighed af Adam Monkowski and Misha

1/28 Mikroflow seminar 17/3 -2010

Mikrofluid chip, S. Quakes gruppe, Stanford © FREDERICK BALAGADDE

Mikroflow- med nye udfordringer i forhold til traditionel flowmåling

Fridolin Okkels, DTU Nanotech

Mikroflow seminar, 17. marts 2010


Visionen indenfor mikrofluidik→ Lab-on-a-Chip

• Tag et helt laboratorium, og formindsk det til mm-størrelse

• Mikrosystem-tankegangen– Richard P. Feynmans berømte foredrag på Caltech 1959:– There's Plenty of Room at the Bottom– Forudså de basale problemstillinger og anvendelser

• Nye udfordringer på mikroskala


Lab-on-a-chip teknologi: Laboratorier i mikrochips

før 1950 1950’erne 1960’erne 1990’erne Fra elektroniske til kemisk/biologiske mikrochips

!før 1990 1990’erne 2000’erne fremtid

?(Fra Henrik Bruus 2007)


Lab-on-a-chip teknologi: Hvorfor miniaturisering?

• Laminare strømme: kontrol i tid og rum over koncentrationsforskelle og fordeling af væske

• Lille prøveforbrug i hårtynde kanalsystemer (0.10 mm)3 = 1 nL, (0.01 mm)3 = 1 pL

• Lille chip: temperaturkontrol, smådiffusionstider, og hurtig analyse

• Stort areal i forhold til volumen, ideelt for overfladereaktioner

• Mulighed for at integrere mange lab-komponenter i håndholdte multi-analyseapparater

• Massefabrikation giver billigere produkter

30 m

m

Thorsen, Maerkl, and QuakeMicrofluidic large-scale integration

Science 298, 580 (2002) CalTech

indeholder 2056 ventiler og 256 kamre

(Fra Henrik Bruus 2007)


Et lab-on-a-chip system til genetisk analyse (Prototype)

Permanentsubstrat-chip

Engangs-polymerchip tilgenetisk analyse ved brugaf PCR og mini-sekvensering

D’Appolonia, INRCTech. Univ. DelftLavision, LavBioTech, IMMDTU NanotechUppsala Univ.

Akustiske piezo-aktuatorertil opblanding i bio-kamrene

Termisk kontrol medPeltier/resistive elementer

Vindue til optiskdetektionssystem

Pumpesystem

hydro-fobiskemembraner


Forholdet mellem volumen og overflade

10×10×10

Volumen: 103 = 1000Overflade: 6×102 = 600

Overflade/volumen = 0.6

1×1×1

Volumen: 13 = 1Overflade: 6×12 = 6

Overflade/Volumen = 6

På små skala dominerer overflade-effekter over volumen-effekter

Dominerer: Viskositet, diffusion, fordampning, varmeledningUbetydelig: Tyngde, inerti, varmekapacitet


The Fantastic Voyage• Film af Richard Fleischer (Skabte også Dr. Dolittle)

• Plot:– En diplomat er næsten myrdet – For at redde ham, formindskes en ubåd sammen

med besætning til mikrometer størrelse, og sprøjtes ind i hans blodårer.

– Så snart de er inde begynder problemerne...

• Vandt 2 Oscar’s!!

~200 μm~2 m


The Fantastic Voyage

Adhæsion

Molekylær tiltrækning



Fordampning og varme

Minimér overfladeSkærm for fordampning

KoldblodetSollys-absorberende



Vægt og styrke

Lille tyngdepåvirkningTværsnittet bestemmer styrken

Hurtigere bevægelse



Synet

Synsceller er mindst muligeLinser går ikke

Rør giver retning



Endelig metamorfose

Bliver til insekterNødvendig for overlevelse!


Laminar strømning ved lave Reynolds talRe = v L /= v L 106 s/m2

Svømmende dyr:L = 1 mv = 1 m/s fi Re = 106

inerti vigtig

Lab-on-a-chip:L = 100 m, v = 1 mm/s fi Re = 10-1

viskositet vigtig

Svømmende celler:L = 10 m v = 10 m/s fi Re = 10-4

viskositet vigtig(Fra Henrik Bruus 2007)


Mikrofluide reaktorer – tid/sted

A → B → CA B

C

→

→

Batch Mikroflow reaktor

Tid

Sted


Ion billede Middel-felter

- - - - - - - - - - - - - -+

-

+

+

+

+

+

+ ++

+ +

+

+

++ -+

-

+

-

+

- +

-

+

-

+- +-

+

+

c+ c-c0 elc

z z

D~10 nm

Basal elektrokinetik – Elektro-osmose

Debye-længdenNegativt ladet væg

Skærmlag

Neutral elektrolyt


Elektro-osmotiske pumper

Elektro-osmotisk flow (EOF)

- - - - - - - - - - - - - - -

- - - - - - - - - - - - - - -

Eext

Udfordring ved buede kanaler

PhD afhandling af Flemming Rytter Hansen, MIC DTU, 2002 Dispersion in electrokinetically and pressure driven microflows


Strukturel optimering af mikrofluidik

TiO2 (110) overflade på atomart niveau.Yuichi Ikuhara, Univ. of Tokyo, 2009

Katalysator optimering påatomar skala

Mikrofluid kromosom sorterer, Hung Li Chung, Stony Brook Univ., 2005

Topologi optimeret kemisk mikroreaktor. Stillet til rådighed af Adam Monkowski and Misha M. Gregersen, DTU Nanotech/CINF, 2008

Mikrofluidik

Laminar & Stationært

Fuld kontrol over løsningen

Deterministisk

Strukturel optimering

Katalysator optimering påsystem skala


Generelle Optimeringsproblemer• Optimerings Problem = Inverst Problem

• Tilpasse design-variable (γ) for et problem,

således at en målfunktion (Φ) bliver minimeret, under givne begrænsninger.

M.P.Bendsøe and O. Sigmund, Topology Optimization - Theory, Methods and Applications, Springer (2003)

• Design variable: →

• Målfunktion:

• Begrænsninger:

u[γ]γ →

Φ


• Design-variable γ(r): Væske-producerende porøst materiale

(γ=0: væske producerende tæt materiale, γ=1: ren væske)• Begrænsninger: Dræn-kanaler må kun fylde fx 40%

• Målfunktion Φ: Minimere den viskøse energi-dissipation

Topology optimization of fluidics: Topologi optimering af bio-fluidik:Kunstig biologisk kirtel

1

610

12

16 22

30

— ·u > 0

p = p0

10


Simpel mikrofluid katalytisk reaktor

Navier Stokes ligningen med Darcydæmpningsled:

Advektions-Reaktions-Diffusionsligning:

Kontrol parametre:

Da Darcy talletD Diffusions koeff.Dp Tryk forskelka Reaktions koeff.

C

CA B

Enkel, 1. ordens katalytisk reaktion : A → B, med trykdrevet perfusionC

Φ


Mikrofluid Katalytisk Reaktor – Resultater

Design (g) og

fluid-hastighed

Koncentration

Reaktions rate


μfluid Katalytisk Reaktor – Brug geometrien!

Design (g) og

fluid-hastighed

Koncentration

Reaktion rate

0 γ0 1

Sammenlign reaktionsrater

γ0

F. Okkels and H. Bruus Phys. Rev. E 75, 016301 (2007)

x 16+


Mikrofluid Katalytisk Reaktor i 3D


(I) Lunge-område:Blodet mættes med oxygen

(II) Krop med stofskifte og hjerte(r):Oxygen forbrug og vandret væskepumpning vha. frit placerede hjerte(r)

(III) Stofskifte:Oxygen forbrug

Fuld kardio-vaskular model optimering I

Maksimer oxygen forbrug


Fuld kardio-vaskular model optimering II

2ℓR

30%

10%

5%

kD

R


Theoretical Microsystems Optimization Group

Fridolin OkkelsLektorTopologi optimering

Grigorios PanagakosPhD studentBrændselscelle optimering

Kristian E. JensenMSc studentVarmetransport optimering

“Topology Optimization of Fuel Cells and Magnetic Refrigerator design”

Tre-årigt forsknings-projekt støttet af:


Resumé• Mikrofluidik → Lab-on-a-Chip

• Stol ikke på din (hverdags)-intuition mht. mikrosystemer– Overflade-effekter dominerer over volumen-effekter

• Fordele & udfordringer ved mikrofluidik

• Topologi optimering af mikrofluide systemer– Mikrofluide katalytiske reaktorer

• Reaktionsraten forbedret (x 16+) – Genskabe biologiske strukturer

• Design af kunstige biologiske systemer

• Theoretical Microsystems Optimization group, DTU Nanotech– Optimerer pt. brændselsceller og kølesystemer


� ��

� ��

��

��

��

��

��



• Discrete vs. continuous design problem:Assume porous material with spatially varying permeability

• Steady-state Navier-Stokes equation with Darcy friction term

• Darcy friction coefficient relates to design variable

where

The porosity as design variableIntroduced by Borrvall and Petersson for Stokes flow (2003)

αmax

αmin

q = 10

q = 0.01q = 0.1q = 1

γ10

Fridolin Okkels, DTUflowcenter.dk/wp-content/uploads/2015/09/Mikroflow-med...2010/03/17 · Topologi optimeret kemisk mikroreaktor. Stillet til rådighed af Adam Monkowski and Misha

Documents