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 (NS) ligningen og kontinuitetsligningen ud
fra grundlæggende principper
Løse NS ligningen for mikrofluide strømninger med inertielle
effekter
Forklare den fysiske betydning af vigtige dimensionsløse tal i
mikrofluidik
Udlede og løse NS ligningen for akustisk drevne
fluid-strømninger med 1.- og 2.-ordens perturbationsteori
Opstille og løse modeller af simple advektions-diffusions
problemer
Beskrive kræfter på en partikel i en laminar
fluid-strømning
Forstå de grundlæggende fysiske processer bag biologiske
væskepumper
Løse NS ligningen for mikrofluide strømninger i og mellem
levende celler
Forstå og anvende principperne bag optimering af biologiske
transportnetværk
Udlede stokeslet og stresslet løsningerne som modeller af
akvatiske mikroorganismer
Forstå og anvende princippet bag modstandsbaseret svømning og
kraftteori
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, 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. Et hovedeksempel
vil være ultralydsdrevet bevægelse af fluider. I den anden del af
kurset vil du lære om fluid-dynamikken for vaskulære strømninger i
dyr og planter, og om designprincipperne bag biologiske
transportnetværk. I den tredie og sidste 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.
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
