Dette kursus, som er rettet mod både teoretikere og
eksperimentalister, vil give dig en introduktion til en række
avancerede teoretiske emner indenfor området mikrofluidik, dvs.
dynamikken af fluid-strømninger på sub-millimeter skala under
indflydelse af forskellige fysiske kræfter.
Moderne mikrofluidik spiller en central rolle ved beskrivelsen af
nye fysiske fænomener, som fluid-strømninger udviser i begrænsende
geometrier, ved design af lab-on-a-chip systemer til integration af
komplette biologiske og kemiske laboratorier på enkelte mikrochips,
og i forbindelse med udviklingen af teoretiske modeller og
eksperimenter i grænsefeltet mellem fysik og biologi med henblik på
at forstå fx saftstrømning i træer, individuelle cellers biofysik,
og svømning og fødeoptag hos mikroorganismer som fx akvatiske
zooplankton. Kurset vil give dig et stærkt teoretisk grundlag og et
godt udgangspunkt for efterfølgende M.Sc. projektarbejde ved fx DTU
Fysik, DTU Nanotech og DTU Aqua om grundlæggende fluid-dynamik,
lab-on-a-chip systemer og biologisk fluid-dynamik.
Læringsmål:
En studerende, der fuldt ud har opfyldt kursets mål, vil kunne:
Udlede Navier-Stokes ligning og kontinuitetsligningen ud fra
grundlæggende principper
Løse Navier-Stokes ligning for mikrofluide strømninger med
inertielle effekter
Forklare den fysiske betydning af vigtige dimensionsløse tal i
mikrofluidik
Opstille og løse modeller af simple advektions-diffusions
problemer
Forstå og anvende princippet bag modstandsbaseret svømning og
kraftteori
Udlede og løse modeller for kræfter og fremdrift skabt af
forcerede elastiske filamenter
Beskrive tidsafhængige kræfter på en partikel i en laminar
fluid strømning
Udlede og løse de lineære ligninger for akustofluidik
(lydudbredelse i fluider)
Udlede og anvende de ikke-lineære ligninger for akustisk
strømning og strålingskræfter (mikropartikel
akustoforese)
Kursusindhold:
Kurset består af tre dele, der alle træner både din teoretiske
kunnen og fysiske forståelse. Du vil gradvist lære metoder til at
håndtere komplekse effekter i mikrofluidik, herunder tidsafhængige
kræfter, inertielle effekter ved lave til moderate Reynolds tal,
kompressibilitetseffekter, og vekselvirkninger mellem en elastisk
struktur, fx en celle eller et tyndt elastisk filament, og en
omgivende fluid i bevægelse. I den første del af kurset vil du lære
grundlæggende fluid-dynamisk teori, dvs. transportligningerne for
masse (kontinuitetsligningen), impuls (Navier-Stokes ligning), og
energi (varmeligningen). Du vil blive gjort bekendt med nogle af de
mange dimensionsløse tal, som beskriver fluid-strømninger, og du
vil lære at anvende dem ved opstilling og analyse af modeller i
mikrofluidik. I den anden del af kurset vil du lære om
fluid-dynamikken for mikroorganismers svømning og fødeoptag. Du vil
lære om fysikken for svømning ved lavt Reynolds tal og om hvordan
mikroorganismer anvender flageller eller fimrehår til at bevæge sig
selv fremefter eller til at drive fødestrømme med næringspartikler
til sig. I den tredje og sidste del af kurset vil du lære om
akustofluidik, et emne der omhandler anvendelsen af ultralyd til at
skabe fluid-strømning eller kontrolleret bevægelse af celler eller
partikler i suspension i mikrofluide systemer.
Litteraturhenvisninger:
Theoretical Microfluidics af Henrik Bruus, Oxford University Press
(Oxford 2008) og forelæsningsnoter
Bemærkninger:
Teoretisk Mikrofluidik (10337) og Kontinuumsfysik (10346) kan
følges uafhængigt og overlap gælder kun introduktionen af de
grundlæggende fluiddynamiske ligninger.
Mulighed for GRØN DYST deltagelse:
Kontakt underviseren for information om hvorvidt dette kursus giver
den studerende mulighed for at lave eller forberede et projekt som
kan deltage i DTUs studenterkonference om bæredygtighed,
klimateknologi og miljø (GRØN DYST). Se mere på http://www.groendyst.dtu.dk
