Gebruiker:Josq/Microfluïdica

De microfluïdica bestudeert het gedrag van vloeistoffen en gassen op de micrometerschaal. Een micrometer (μm) is een miljoenste van een meter ofwel een duizendste van een millimeter. Uitgedrukt in volume-eenheden gaat het daarbij doorgaans om nanoliters, maar ook kleinere volumina zijn mogelijk: picoliters, femtoliters of zelfs attoliters. Dat zijn dus miljardsten tot triljoensten van een liter. Op deze schaal wordt het gedrag van veel stoffen door een aantal andere natuurkundige eigenschappen gedomineerd dan mensen in het dagelijkse leven gewend zijn. Water gedraagt zich bijvoorbeeld in veel opzichten als een zeer stroperige vloeistof.

Wetenschappelijk en technologisch onderzoek naar microfluïdica is in de jaren 1990 sterk in opkomst gekomen, mede doordat de chiptechnologie, zoals die door onder meer de elektronica-industrie is ontwikkeld, werd toegepast om chips met heel kleine vloeistofkanaaltjes te maken.

Bestaande en nieuwe toepassingen van microfluïdische technologie zijn denkbaar overal waar gewerkt wordt met vloeistoffen, gassen en opgeloste stoffen en waar schaalverkleining wenselijk of noodzakelijk is. Concreet kan hierbij gedacht worden aan onder meer printtechnologie, de synthese van chemische producten, de opsporing van gevaarlijke stoffen en aan de biologische en medische analyses van onder andere lichaamsvloeistoffen, DNA, en zelfs individuele cellen.

Natuurkundige eigenschappen

Om de natuurkundige eigenschappen van een microfluïdisch systeem te begrijpen en te beschrijven zijn diverse dimensieloze getallen beschikbaar. Deze getallen zijn een weergave van onderlinge verhoudingen tussen verschillende natuurkundige eigenschappen van het systeem.

Stroperigheid: het Reynoldsgetal

Op microfluïdisch niveau gedragen vloeistoffen zich relatief erg stroperig. Dit kan worden weergegeven met het Reynoldsgetal. Het Reynoldsgetal geeft de verhouding weer tussen inertiële krachten (inertie is de weerstand tegen verandering in snelheid) en visceuze krachten (viscositeit is de mate van stroperigheid). Het Reynoldsgetal kan als volgt berekend worden:

$Re={{d\cdot v\cdot \rho } \over {\eta }}$

$Re\!$ is hier het Reynoldsgetal; $d\!$ is een karakteristieke lengte van het systeem, bijvoorbeeld de diameter van een vloeistofkanaal; $v\!$ is de snelheid, $\rho \!$ de dichtheid en $\eta \!$ de viscositeit van de vloeistof.

In microfluïdische systemen is het Reynoldsgetal vaak klein, ofwel de viscositeit is groot ten opzichte van de inertie. Dat betekent onder meer dat een voorwerp snel tot stilstand komt wanneer er geen voortbewegende kracht meer op uitgeoefend wordt.

Het Reynoldsgetal is ook van belang bij de overgang tussen turbulente en laminaire vloeistofstroming. Turbulente stroming is erg chaotisch, laminaire stroming is daarentegen zeer ordelijk en voorspelbaar. Laminaire stroming kan voorgesteld worden als een geheel van parallel stromende laagjes ("laminae" zijn dunne laagjes). Deze "vloeistoflaagjes" mengen onderling niet, behalve door diffusie. De overgang tussen turbulente en laminaire stroming vindt in veel gevallen plaats bij Reynoldsgetallen tussen de 2000 en de 3000. Microfluïdische systemen hebben meestal (veel) lagere Reynoldsgetallen. Laminaire stroming is daarom een zeer wijdverbreid verschijnsel in de microfluïdica.

Moeizame menging: het Pécletgetal

In laminaire stroming mengen parallelle vloeistofstromen niet. Menging is daarom afhankelijk van diffusie: de toevallige bewegingen van deeltjes onder invloed van warmte. Het Pécletgetal geeft de verhouding weer tussen convectie (vloeistofstroming) en diffusie. Het Pécletgetal kan als volgt berekend worden:

$Pe={{d\cdot v} \over {D}}$

$Pe\!$ is hier het Pécletgetal; $d\!$ is een karakteristieke lengte van het systeem haaks op de stromingsrichting; $v\!$ is de stroomsnelheid van de vloeistof en $D\!$ is de diffusiecoëfficient, een maat voor de diffusiesnelheid van een deeltje.

Aan het Pécletgetal kan een concrete voorstelling worden verbonden. Stel, in een kanaal komen twee vloeistofstromen bij elkaar, één met en één zonder een bepaald soort deeltjes. Deze vloeistofstromen mengen niet maar blijven parallel lopen wegens het verschijnsel van laminaire stroming. Dan is er stroomopwaarts in het kanaal - mits het kanaal lang genoeg is - een punt waarop de diffusie van de deeltjes zover is gevorderd, dat ze bij benadering homogeen verdeeld zijn over de breedte van het kanaal. Het Pécletgetal geeft bij benadering aan hoeveel kanaalbreedtes dit punt stroomopwaarts ligt. Bedraagt het Pécletgetal 100, dan ligt het punt waarop de deeltjes homogeen verdeeld zijn ongeveer 100 kanaalbreedtes stroomopwaarts van het punt waar de twee vloeistofstromen bij elkaar komen.

Hoe lager het Pécletgetal, des te moeilijker menging door diffusie gaat. Zoals de formule aangeeft wordt het Pécletgetal verhoogt door hogere stroomsnelheden en grotere kanalen. De diffusiecoëfficient is mede afhankelijk van deeltjesgrootte, grote deeltjes diffunderen langzamer dan kleine. De diffusiecoëfficient van een typische (menselijke) cel is zo'n 100 000 maal hoger dan van een typisch ion in oplossing. Met name voor dergelijke grote deeltjes kan menging zeer moeizaam gaan.

Technologie

Technologieontwikkeling heeft een centrale plaats in microfluidisch onderzoek.

Toepassingen

Toekomstperspectieven

Bronnen, noten en/of referenties

[[Categorie:Natuurkunde]]