Neue mikrofluidische Systeme

Von der Echse zum gezielten Fluidtransport

Feuchtigkeitserntende Echsen als Vorbilder für die Funktionalisierung technischer Oberflächen – das ist die Idee, die dem BMBF-Projekt „BioLas.exe“ und dem EU-Projekt „LiNaBioFluid“ zugrunde liegt.

Biologisches Vorbild: Echse mit Kapillarstrukturen. (Bildquelle: Fraunhofer IPT)

Gemeinsam mit Biologen der RWTH Aachen konnte das Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT einen mikrofluidischen Effekt der Haut von Echsen auf technische Oberflächen übertragen und ihn damit für industrielle Anwendungen nutzbar machen. Für die herausragende interdisziplinäre Zusammenarbeit auf diesem Gebiet hat das Team aus Mitarbeitern des Fraunhofer IPT, der RWTH Aachen und der JKU Linz kürzlich den „International Bionic Award“ der Schauenburg-Stiftung gewonnen. In mikrofluidischen Systemen könnte der Effekt beispielsweise zum Trennen von Flüssigkeiten mit unterschiedlicher Viskosität genutzt werden.

In vielen industriellen Anwendungen haben die Eigenschaften technischer Oberflächen einen entscheidenden Einfluss auf das Einsatzverhalten der Bauteile, vor allem im Kontakt mit Flüssigkeiten. Immer wieder führt dabei eine ungleichmäßige Benetzung technischer Grenzflächen zu Ineffizienz in Form eines hohen Energiebedarfs des Gesamtsystems oder eines stärkeren Bauteilverschleißes. Nacharbeiten zur Vermeidung dieser Effekte an den kritischen Funktionsflächen sind auf herkömmlichem Weg oft nur mit aufwändigen Verfahren zu bewerkstelligen.

Die Bionik bietet als typische Querschnittsdisziplin zwischen Naturwissenschaft und Technik große Chancen zur systematischen Erarbeitung neuer Lösungen. Biomimetische Konzepte dienen immer häufiger dazu, entscheidende Vorteile aus der Biologie auch für technische Anwendungen nutzbar zu machen.

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Wendeschneidplatte mit Kapillarstrukturen. (Bildquelle: Fraunhofer IPT)

In der Natur sind vielfältige Probleme der optimierten Benetzung bereits gelöst: Der australische Dornteufel und die texanische Krötenechse sind ein gutes Beispiel dafür. Mit einer intelligenten Schuppenstruktur sind die Tiere in der Lage, unter extrem trockenen Bedingungen zu überleben. Die halboffenen Kapillaren auf ihrer Körperoberfläche ermöglichen es ihnen, Wasser von einem feuchten Untergrund oder aus der Luft aufzunehmen und unidirektional zum Maul zu transportieren. So entstehen durch den Transport auf der Haut nahezu keine Verluste und die Echse hat genügend Flüssigkeit zum Trinken zur Verfügung. Die Echsen müssen für diesen Flüssigkeitstransport keinerlei Energie aufwenden, sodass der Transport nicht nur gerichtet, sondern auch passiv stattfindet. Aufgrund des großen industriellen Potenzials wurde der Effekt durch die Forscher der Arbeitsgruppe Bionik am Institut für Biologie II der RWTH Aachen näher untersucht.

Dazu wurden die Schuppenstrukturen der Echse systematisch analysiert und mit einem biomimetischen Ansatz abstrahiert. Der Effekt des gerichteten, passiven Flüssigkeitstransports innerhalb dieser Strukturen stellt sich durch zwei Prinzipien ein: Die Mikrostrukturen sind zum einen asymmetrisch und zum anderen miteinander verschaltet, so dass sich infolgedessen stets mindestens ein Flüssigkeitsmeniskus durch das Strukturnetzwerk auf der Oberfläche fortbewegt. Mit dieser Erkenntnis ist es nun grundsätzlich möglich, funktionale Strukturen für unterschiedliche Material-Fluid-Kombinationen zu entwerfen und diese beispielsweise auf Stahl- oder Polymeroberflächen zu übertragen. Das finale Strukturdesign hängt dabei von mehreren Faktoren ab, beispielsweise der Oberflächenenergie, der Viskosität und der Materialpaarung von Fluid und Oberfläche.

Laserstrukturiertes Kapillarsystem für den gerichteten Flüssigkeitstransport. (Bildquelle: Fraunhofer IPT)

Die Übertragung des Effekts auf technische Oberflächen setzt das Fraunhofer IPT innerhalb der Projekte mit dem Fertigungsverfahren der Laseroberflächenstrukturierung um: Dabei werden mittels Laserstrahlung Mikrostrukturen in die Oberfläche der Bauteile eingebracht. Zum Einsatz kommen Ultra-kurzpulslaser, mit denen sich besonders feine Kapillarsysteme herstellen lassen. Integriert in 5+4-achsigen Bearbeitungsanlagen, ist somit auch die Strukturierung komplexer Freiformflächen möglich.

Ein Schwerpunkt zur Optimierung des Laserprozesses liegt in der Entwicklung geeigneter Prozess- und Softwarestrategien, um beispielsweise unerwünschte Einbrandeffekte zu vermeiden, die die unidirektionale Transportfunktion des Strukturmusters negativ beeinflussen oder gar verhindern. Eine weitere Herausforderung für die Ingenieure des Fraunhofer IPT liegt zudem vor allem in der hochpräzisen Fertigung der Mikrostrukturen auf 3D-Oberflächen. Bei der Übertragung von einem planaren Strukturdesign auf eine Freiformgeometrie wird die Struktur verzerrt, muss aber gleichzeitig ihre Funktion behalten. Algorithmen zur Auslegung der Kapillarstrukturen ermöglichen diese automatisierte Strukturübertragung.

Gerichteter Flüssigkeitstransport in laserstrukturiertem Kapillarsystem. (Bildquelle: Fraunhofer IPT)

Um die Funktion der technischen Oberflächen im Hinblick auf ihre Eigenschaften beim Kontakt mit Fluiden weiter zu optimieren, untersucht das Fraunhofer IPT zurzeit zusammen mit einem internationalen Konsortium im EU-Projekt „LiNaBioFluid“ Möglichkeiten, gezielt noch kleinere biomimetische Oberflächenmerkmale zu erzeugen. An dem interdisziplinären Projekt sind sieben Partnern aus vier verschiedenen Ländern beteiligt.

Mithilfe der neuen Topographien kann das Benetzungsverhalten von Oberflächen – also wie gut sich eine Flüssigkeit auf einer Oberfläche ausbreiten kann – gesteuert werden. Das geschieht allerdings, verglichen mit der Größe des Kapillarsystems, anhand deutlich kleinerer Strukturen. Unter anderem werden die periodischen Strukturen durch eine Art laserinduzierte Selbstorganisation gefertigt. Bei geeigneter Parameterwahl können sehr viel kleinere Strukturen als der Laserstrahldurchmesser hergestellt werden – die Strukturgrößen bewegen sich hier zwischen einigen hundert Nanometern und dem einstelligen Mikrometerbereich. Die so erzeugten Topographien sind damit in der Lage, die Benetzungseigenschaften einer Oberfläche von extrem hydrophob bis extrem hydrophil zu steuern.

Der Effekt des gerichteten Flüssigkeitstransports ist hochinteressant für die Funktionalisierung technischer Oberflächen – überall dort, wo Fluide gezielt zu einer bestimmten Stelle transportiert oder von einer Stelle weggeführt werden sollen. Auch eine Trennung von Flüssigkeiten unterschiedlicher Viskosität, beispielsweise Wasser und Öl, ist denkbar. Die Ideen reichen hier von der passiven Zufuhr von Kühl- oder Schmierstoffen bei Schneidwerkzeugen bis hin zur Trennung verschiedener Fluidkomponenten in mikrofluidischen Sensoren.

Kontakt:
Ulrike Hermens M.Sc.
Fraunhofer Institut für Produktionstechnologie IPT
52074 Aachen
E-Mail: ulrike.hermens@ipt.fraunhofer.de

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