De seneste fem-ti år har man mange steder i verden, bl.a. på DTU Nanotech, arbejdet på at fremstille komplette bio/kemiske laboratorier på mikrometerskala og integrere dem på en enkelt chip. Denne revolutionerende lab-on-a-chip teknologi har medført et stort behov for at udvikle den teoretiske forståelse for hydrodynamik på mikroskala, kaldet mikrofluidik, et område som rummer mange uudforskede fænomener.
Dette kursus, som henvender sig til både teoretikere og eksperimentalister, vil give dig en introduktion til samt praktisk erfaring med teori og numerisk simulering inden for mikrofluidik. Endvidere vil du få indsigt i forskningsarbejdet i DTU Nanotech's teorigrupper og dele af de mange eksperimentelle lab-on-a-chip aktiviteter på DTU Nanotech. Endelig vil kurset give dig et godt udgangspunkt for at gå i gang med et eksamensprojekt omhandlende lab-on-a-chip systemer.
Læringsmål:
En studerende, der fuldt ud har opfyldt kursets mål, vil kunne:
udlede Navier-Stokes ligningen for mikrofluide systemer
løse Navier-Stokes ligningen for simple mikrofluide systemer
opstille modeller for konvektions-diffusions fænomener
løse simple konvektions-diffusions problemer
analysere kapillarfænomener i simple mikrokanaler
løse elektro-hydrodynamiske problemer
anvende teori på eksisterende lab-on-a-chip systemer
udlede, beregne og vurdere karakteristiske fysiske størrelser for lab-on-a-chip systemer
give fysiske fortolkninger af teoretiske resultater
Kursusindhold:
Kurset består af fire dele. I første del vil du lære den basale teori for hydrodynamiske systemer, dvs. ligningerne for tranport af masse (kontinuitetsligningen), impuls (Navier-Stokes ligningen) og energi (varmeligningen). Du vil blive fortrolig med nogle af de mange dimensionsløse tal, som karakteriserer hydrodynamiske systemer, og du vil forstå hvilke værdier de antager i mikrofluide systemer.
I kursets anden del kommer du til at studere overfladespændinger og viskositet. Dette er vigtigt, da overflader og gnidning spiller en dominerende rolle i mikrofluidik. Vi lægger især vægt på diffusion og kapilarkræfter.
I kursets tredje del vil du lære om elektrokinetiske effekter så som elektroosmose og (di-)elektroforese. Disse effekter er meget brugte i lab-on-a-chip systemer til kemisk seperation, DNA-analyse og mikropumper.
I kursets fjerde og sidste del vil du beskæftige dig med numerisk simulering af mikrofluide systemer. Du vil få en kort introduktion til Finite Element Metoden (FEM), som bygger på kontinuumshypotesen for væsker. Du kommer til at anvende COMSOL til at simulere konkrete mikrofluidik problemer.
Litteratur:
"Theoretical Microfluidics" af Henrik Bruus, Oxford University Press (Oxford, 2008)
