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Light-Induced Microfluidic Transport Phenomena

Varanakkottu, Subramanyan Namboodiri :
Light-Induced Microfluidic Transport Phenomena.
TU Darmstadt, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2013)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Light-Induced Microfluidic Transport Phenomena
Language: English
Abstract:

Abstract

Optofluidics is an emerging field which combines microfluidics and optics, having widespread applications in fundamental sciences as well as engineering. Among the research in the area of optofluidics, manipulation of small objects such as particles and droplets is of great interest. Precise control over the manipulation and confinement of such objects is a challenging task. Unification of microfluidics and optics opens a new way to achieve this goal with added advantages such as non-contact manipulation capability and tunability. This Ph.D. dissertation addresses optofluidic manipulation of particles and droplets based on some novel concepts.

The section on light-induced particle manipulation begins with optical trapping inside a microfluidic channel. Motivation of this study is to understand the influence of velocity profile on the trapped particle. An optical trapping experimental setup is constructed using a He-Cd laser (442 nm emission) as the trapping source. Optical trapping experiments are performed under two flow conditions. A particle trapped inside a microfluidic channel experiences a parabolic velocity profile. In the second method, particles are trapped inside a sample chamber where the trapped particle experiences a uniform velocity profile. Experiments are performed at different optical powers with particles having various diameters. Results showed that for particles having intermediate size the trapping force is higher in the case of particles trapped inside the microfluidic channel than that of a sample chamber. This is attributed to the contribution of Saffman lift force arising from the parabolic velocity gradient. Experimentally measured optical trapping stiffness is found to be in good agreement with the theoretical model.

Following that, a novel particle manipulation technique is presented. Here, microparticle adsorbed at the air-water interface is trapped and manipulated along the interface. The method relies on photoresponsive surfactants adsorbed to a gas-liquid interface that can be reversibly switched between two isomeric states (a trans state and a cis state) using light beams. The principle is based on local changes of the surface tension, giving rise to Marangoni stresses. Depending on the type of surfactant isomer in the region around the laser spot, a flow either radially inward or outward is created. For the trapping of microparticles, a 325 nm beam from a He-Cd laser is focused at the interface, which results in an inward flow directing towards the focal spot. This inward flow is utilized for trapping and manipulation of particles. Interfacial flow velocity is characterized using particle streak velocimetry. It is experimentally demonstrated that this trapping mechanism is capable of manipulating the trapped particle at lower intensity than conventional optical tweezers.

Finally, studies on light-induced droplet manipulation were conducted, utilizing the phase transition of temperature sensitive PNIPAM (Poly(N-isopropylacrylamide)) polymer films. PNIPAM films are prepared on UV absorbing glass plates. Absorption of the UV light by the glass raises its temperature resulting in the phase transition of PNIPAM film from a swollen (hydrophilic) to a deswollen (hydrophobic) phase. Experiments show that PNIPAM films undergo a phase transition from a hydrophilic to a hydrophobic state at around 26oC. At the hydrophobic state, water drop placed on the substrate exhibits a contact angle of about 78o while it reduces to 53o at the hydrophilic state. Experiments are performed to drive the water drop by creating a wettability gradient over the surface by locally cooling one side of the drop. Though the drop spreads towards the colder region, due to the large hysteresis in contact angle, the receding edge of the drop is pinned at the surface.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Optofluidik ist ein aufstrebendes Forschungsgebiet, welches die Mikrofluidik mit der Optik vereint. Als solches weist sie einen weiten Einflussbereich sowohl in der Grundlagenforschung wie auch im Ingenieurwesen auf. Von großem Interesse in der optofluidischen Forschung ist die Manipulation von kleinen Objekten wie Partikeln oder Tröpfchen. Die präzise Lokalisierung und kontrollierte Bewegung solcher Objekte erweist sich als eine anspruchsvolle Aufgabe. Die Vereinigung von Mikrofluidik und Optik eröffnet dabei einen neuen Weg, dieses Ziel zu erreichen und bietet dabei zusätzliche Vorteile wie berührungslose Manipulation und genaue Abstimmbarkeit. Diese Dissertation befasst sich mit der optofluidischen Manipulation von Partikeln und Tröpfchen mittels verschiedener neuer Konzepte. Der Abschnitt über lichtinduzierte Partikelmanipulation beginnt mit optischen Pinzetten in einem mikrofluidischen Kanal. Die Motivation dieser Studie ist es, den Einfluss des Geschwindigkeitsprofils auf das eingefangene Partikel zu verstehen. Ein Versuchsaufbau mit optischer Falle wird unter Verwendung eines He-Cd-Lasers (Emission bei 442 nm) als Lichtquelle aufgebaut. Experimente zur optischen Falle werden unter zwei Strömungsbedingungen durchgeführt. Im ersten wird ein eingefangenes Teilchen in einem durchströmten mikrofluidischen Kanal einem parabolischen Geschwindigkeitsprofil ausgesetzt. Im zweiten Aufbau werden Partikel innerhalb einer Probenkammer gefangen, so dass bei Bewegung der Kammer relativ zur optischen Falle ein gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil auf das Teilchen wirkt. Es wurden Versuche mit verschiedenen optischen Leistungen sowie mit Teilchen unterschiedlichen Durchmessers durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass für Teilchen mittlerer Größe die Fallenkraft innerhalb des mikrofluidischen Kanals höher ist als im Fall von Teilchen, die einer Probenkammer gefangen sind. Dies kann auf den Beitrag der Saffmanschen Auftriebskraft aufgrund des Geschwindigkeitsgradienten im parabolischen Profil zurückgeführt werden. Experimentell gemessene Steifigkeiten der optischen Falle zeigen eine gute Übereinstimmung mit dem theoretischen Modell. Darauf folgend präsentieren wir eine neuartige Methode der Partikelmanipulation. Hierbei wird das an der Luft-Wasser-Grenzfläche adsorbierte Mikropartikel eingefangen und entlang der Grenzfläche bewegt. Die Methode beruht auf an der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche adsorbierten lichtempfindlichen Tensiden, die mittels Licht reversibel zwischen zwei isomeren Zuständen (einem trans- und einem cis-Zustand) hin und her geschaltet werden können. Das Prinzip basiert auf der lokalen Änderungen der Oberflächenspannung, welches zu Marangoni-Spannungen führt. Abhängig von der Art des Isomers in der Nähe des Laserspots wird eine Strömung entweder radial nach innen oder nach außen erzeugt. Zum Festhalten von Mikropartikeln wird der Strahl eines 325 nm He-Cd-Lasers auf die Grenzfläche fokussiert, was zu einer in Richtung Brennpunkt gerichteten Strömung führt. Diese nach innen gerichtete Strömung wird zum Einfangen und Bewegen von Partikeln verwendet. Die Strömungsgeschwindigkeit an der Grenzfläche wird mittels Particle-Streak-Velocimetry bestimmt. Es wird experimentell gezeigt, dass dieser Fallenmechanismus eine Manipulation der gefangenen Teilchen bei geringerer Intensität ermöglicht als bei einer herkömmlichen optischen Pinzette. Schließlich wurden Studien zur lichtinduzierten Manipulation von Tröpfchen auf mit temperaturempfindlichem PNIPAM (Poly (N-isopropylacrylamid)) beschichteten Oberflächen durchgeführt. Dabei wurde eine Schicht PNIPAM auf UV-absorbierenden Glasplatten abgeschieden. Die Absorption von UV-Licht im Glas erhöht dessen Temperatur, was zum Phasenübergang des PNIPAM Films von einer gequollenen (hydrophilen) zu einer kontrahierten (hydrophoben) Phase führt. Experimente zeigen, dass bei PNIPAM-Filmen der Phasenübergang vom hydrophilen zum hydrophoben Zustand bei etwa 26°C erfolgt. Im hydrophoben Zustand weist ein auf dem Substrat platzierter Wassertropfen einen Kontaktwinkel von etwa 78° auf, während dieser sich im hydrophilen Zustand auf 53° reduziert. Es wurde experimentell versucht, einen Wassertropfen dadurch anzutreiben, dass mittels lokaler Kühlung einer Seite des Tropfens ein Benetzbarkeitsgradient induziert wird. Obwohl der Tropfen sich in Richtung des kälteren Bereichs ausdehnt, bleibt er doch aufgrund der großen Kontaktwinkel-Hysterese an der zurückweichenden Kante des Tropfens an der Oberfläche haften. German
Place of Publication: Darmstadt
Publisher: TU Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Optofluidics, Interfaces, Optical tweezers, Marangoni flow, Wettability
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
Divisions: 16 Department of Mechanical Engineering
Date Deposited: 09 Jul 2013 15:13
Last Modified: 09 Jul 2013 15:13
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-35099
Referees: Hardt, Prof. Steffen and Dreizler, Prof. Andreas
Refereed: 28 May 2013
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3509
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