21.09.2006
Introduction to Microfluidics
Tabeling
In seinem Buch behandelt der renommierte Wissenschaftler Patrick Tabeling die Mikrofluidik, also die Hydrodynamik und Thermodynamik von Flüssigkeiten und Gasen in Mikrodimensionen, und deren stark interdisziplinär geprägten Anwendungen. Dieses Gebiet hat sich seit Anfang der 1990er-Jahre mit atemberaubendem Tempo von einer zunächst belächelten Randdisziplin zum Hauptfokus der modernen
Mikrosystemtechnik entwickelt. Aus Sicht eines (theoretischen) Physikers gibt Tabeling eine methodisch gelungene Einführung, wobei er die fundamentalen physiko-chemischen Prinzipien hervorragend motiviert und davon ausgehend die wichtigsten mathematischen Grundgleichungen auf sehr instruktive Weise herausarbeitet.
Im den ersten beiden Kapiteln werden die maßgeblichen Kräfte sowie thermodynamische, mechanische und elektromagnetische Basisaspekte der Systemminiaturisierung vorgestellt und die Grenzbereiche der Mikrofluidik zu makroskopischen hydrodynamischen Systemen und zur Nanofluidik exploriert. Im Weiteren erläutert
Tabeling die Besonderheiten der durch sehr hohe Oberflächen-zu-Volumenverhältnisse geprägten Hydrodynamik in Mikrokanalsystemen, zu denen insbesondere der hohe Einfluss von Grenzflächenspannungen und der Viskosität sowie die damit verbundene, weitgehende Unterdrückung von Turbulenzphänomenen zu zählen sind.
Mit den Themen Mischen, Dispergieren und Separieren schließt sich die Diskussion eines der wichtigsten Themenkomplexe der Mikrofluidik an. Dabei erläutert der Autor das diesen Methoden zugrunde liegende Zusammenspiel von Diffusion, Advektion und Grenzflächeneffekten und liefert einige repräsentative Beispiele für ingenieurstechnische Lösungsansätze. Ein eigenes Kapitel widmet Tabeling elektrokinetischen Mikrosystemen, die mittlererweile zu den ersten kommerziellen Massenprodukten der Mikrofluidik geführt haben. Dabei werden Elektroosmose, Elektrophorese und Dielektrophorese physikalisch-chemisch eingeführt und die mikrofluidische Implementierung der Elektrokinetik sehr übersichtlich dargestellt. Das folgende Kapitel geht auf die Charakteristiken des Wärmetransports in mikrofluidischen Systemen ein. Hier ermöglicht eine geschickte Auslegung äußerst schnelle Thermalisierungs- und Verdunstungsprozesse.
Das vorletzte Kapitel bietet dem einsteiger einen kompakten Überblick über die gängigen Methoden der Mikrofabrikation. Abschließend folgt ein zugunsten des methodischen Ansatzes eher knapp gehaltenes Kapitel mit einschlägigen Beispielen mikrofluidischer Systemen.
Mikrosystemtechnik entwickelt. Aus Sicht eines (theoretischen) Physikers gibt Tabeling eine methodisch gelungene Einführung, wobei er die fundamentalen physiko-chemischen Prinzipien hervorragend motiviert und davon ausgehend die wichtigsten mathematischen Grundgleichungen auf sehr instruktive Weise herausarbeitet.
Im den ersten beiden Kapiteln werden die maßgeblichen Kräfte sowie thermodynamische, mechanische und elektromagnetische Basisaspekte der Systemminiaturisierung vorgestellt und die Grenzbereiche der Mikrofluidik zu makroskopischen hydrodynamischen Systemen und zur Nanofluidik exploriert. Im Weiteren erläutert
Tabeling die Besonderheiten der durch sehr hohe Oberflächen-zu-Volumenverhältnisse geprägten Hydrodynamik in Mikrokanalsystemen, zu denen insbesondere der hohe Einfluss von Grenzflächenspannungen und der Viskosität sowie die damit verbundene, weitgehende Unterdrückung von Turbulenzphänomenen zu zählen sind.
Mit den Themen Mischen, Dispergieren und Separieren schließt sich die Diskussion eines der wichtigsten Themenkomplexe der Mikrofluidik an. Dabei erläutert der Autor das diesen Methoden zugrunde liegende Zusammenspiel von Diffusion, Advektion und Grenzflächeneffekten und liefert einige repräsentative Beispiele für ingenieurstechnische Lösungsansätze. Ein eigenes Kapitel widmet Tabeling elektrokinetischen Mikrosystemen, die mittlererweile zu den ersten kommerziellen Massenprodukten der Mikrofluidik geführt haben. Dabei werden Elektroosmose, Elektrophorese und Dielektrophorese physikalisch-chemisch eingeführt und die mikrofluidische Implementierung der Elektrokinetik sehr übersichtlich dargestellt. Das folgende Kapitel geht auf die Charakteristiken des Wärmetransports in mikrofluidischen Systemen ein. Hier ermöglicht eine geschickte Auslegung äußerst schnelle Thermalisierungs- und Verdunstungsprozesse.
Das vorletzte Kapitel bietet dem einsteiger einen kompakten Überblick über die gängigen Methoden der Mikrofabrikation. Abschließend folgt ein zugunsten des methodischen Ansatzes eher knapp gehaltenes Kapitel mit einschlägigen Beispielen mikrofluidischer Systemen.
Priv.-Doz. Dr. Jens Ducrée, HSG-IMIT&IMTEK, Freiburg
