Digitale Mikrofluidik und Elektrobenetzung

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Ein DMF-Chip mit vier Reservoiren, Zugängen und einer passiven 12x12 Elektrodenmatrix zur Zellsortierung. Sebastian von der Ecken CC BY-NC-SA 3.0

Die Begriffe "Digitale Mikrofluidik (DMF)" und "Elektrobenetzung" (engl. electrowetting) werden häufig miteinander vermischt. Digitale Mikrofluidik basiert auf der Elektrobenetzung. Das Ziel von DMF ist, einzelne Tropfen von A nach B zu bewegen, aus einem Tropfen zwei zu generieren oder zwei Tropfen wieder zusammen zu bringen. Damit lassen sich die grundlegenden Flüssigkeitsmanipulationen auf einen DMF-Chip umsetzen, die auch in einem Labor stattfinden. Ein Lab-on-a-Chip System entsteht, wie z.B. der DMF-Chip zur Zellsortierung im nebenstehenden Bild.

Will man von einem fixierten Tropfen nur den Kontaktwinkel verändern, um somit z.B. eine flüssige optische Linse mit frei einstellbarer Brennweite zu erhalten, dann kann von "Elektrobenetzung" gesprochen werden. Hier führt eine angelegte elektrische Spannung dazu, dass der Tropfen (die Linse) sich abflacht und somit die Oberfläche in der Tat auch mehr benetzt.

Bei der DMF hingegen ist die Benetzung der Oberfläche für die Anwendung sekundär, hier geht es um die translatorische Bewegung des Tropfens, die durch die elektrostatischen Kräfte parallel zur Bewegungsebene bedingt ist. Bei der Elektrobenetzung zeigt die resultierende elektrostatische Kraft auf den Tropfen senkrecht zur Ebene, auf der sich der Tropfen befindet.

Der Elektrobenetzungseffekt

Das Prinzip der Elektrobenetzung. Sebastian von der Ecken CC BY-NC-SA 3.0

Der Elektrobenetzungseffekt beeinflusst den Kontaktwinkel Θ einer Flüssigkeit bei angelegter elektrischer Spannung U. Die Ladungsträger der Flüssigkeit und des Feststoffs erzeugen ein elektrisches Feld und induzierten eine Maxwell-Spannung π_el an der Tropfenoberfläche, die somit eine Kraft auf diese ausübt. Durch das nun geänderte Kräftegleichgewicht zwischen eine durch den Laplace-Druck induzierte, ins innere des Tropfens gerichtete Kraft und der durch π_el nach außen zeigenden Kraft wird der Tropfen deformiert. Wird statt des Isolators ein Dielektrikum verwendet, so kann der Betrag der Kontaktiwinkeländerung bei gleicher elektrischer Spannung erhöht werden. Man spricht dann von "Elektrobenetzung auf Dielektrika" oder "electrowetting on dielectrics" (EWOD).

Bauanleitung für DMF-Chips

Hier soll - später einmal - eine Liste entstehen und eine kurze, halbwegs einfache, praktische Beschreibung stehen, wie ein DMF-Chip aufgebaut werden kann und mit der zur Verfügung stehenden Technik betrieben werden kann.

Was könnte/sollte hier stehen (Bitte um Ergänzungen)

SP-Nummern von Rohbauteilen (z.B. ITO-Glas)

Laufkarten für die Standardprozesse (z.B. Resistlack für ITO-Glas)

Laser / CAD (wie mache ich eine Zeichnung für Laserschreiber oder direkt-lasern von Strukturen)

Firmen und Institut (Wer kann was, wer verkauft was)

Alternative Werkstoffe (Dielektrika Si3N4, Ta2O5, Parylen... ITO-, Kupfer-, Goldelektroden...)

Leute mit Durchblick (Wheeler stellt den Stand der Technik, Mugele erforscht die Grundlagen, von der Ecken ist vor Ort am IMT)

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