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
Forklare de grundlæggende fysiske processer bag biologiske
væskepumper
Løse NS ligningen for mikrofluide strømninger i og mellem
levende celler
Formulere og anvende principperne bag optimering af biologiske
transportnetværk
Udlede Stokeslet og stresslet løsningerne som modeller af
akvatiske mikroorganismer
Forklare og anvende princippet bag modstandsbaseret svømning og
kraftteori
Kursusindhold:
Kurset består af tre dele, der alle udvikler både din teoretiske
kunnen og fysiske forståelse. Du vil 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
dimensionsløse tal, som beskriver fluid-strømninger, og du vil lære
at anvende dem ved opstilling og analyse af modeller i
mikrofluidik. 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 om ultralydsdrevet bevægelse af
fluider med anvendelser i lab-on-a-chip systemer. I den anden del
af kurset vil du lære om vaskulære strømninger i dyr og planter, og
om designprincipperne bag biologiske transportnetværk. I den tredie
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 svømme eller til at drive fødestrømme.
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