Optischer Kraftsensor für mikroskopisch kleine Partikel

BMBF-Forschungsverbund KANON abgeschlossen / Methoden zur hochpräzisen Handhabung von einzelnen Partikeln
Zwei runde Partikel durch ein Mikroskop betrachtet.

Bild 1: Mikroskopisches Partikel, das an mittels einer 2 Mikrometer Kapillare gehalten wird. Gleichzeitig wird ein zweites Partikel in der Optischen Falle fixiert. © Molecular Machines & Industries GmbH

Zwei Messkurven in einem speziellen Computerprogramm.

Bild 2: Automatische Kalibrationsmethoden erlauben die hocheffiziente Aufnahme von Kraft-Abstandskurven. © Molecular Machines & Industries GmbH

16.04.14

BMBF-Verbundprojekt KANON / Molecular Machines & Industries GmbH

Ende Februar 2014 wurde nach drei Jahren Laufzeit das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Projekt „KANON - Kapillaren unterstütze Optische Nanodetektion für Kolloid und Grenzflächenforschung“ erfolgreich abgeschlossen. Im Rahmen des Projekts wurden extrem schnelle und äußerst sensitive optische Kraftsensoren für transparente aber auch für nicht transparente mikroskopisch kleine Partikel entwickelt.

Hierzu wurden sogenannte Optische Pinzetten, ein Laserbasiertes Werkzeug zum Halten und Verschieben von Mikroteilchen, eingesetzt. Wie genau der Laser ein Partikel in seinem Fokus halten kann, ist ein Maß für die Kraft mit der das Partikel aus dem Fokus herausgezogen wird.

Partikel-Partikel-Wechselwirkungen sind in weiten Bereichen noch nicht im Detail verstanden, spielen jedoch eine fundamentale Rolle bei vielen aktuellen Fragestellungen. Neben der Nanotoxikologie ist die industrielle Fertigung angefangen bei Lebensmitteln über Farben bis hin zu Beschichtungen zu nennen.

Großer Aufklärungsbedarf herrscht einerseits bei Partikeln im Kontakt, andererseits auch für Partikel-Partikel-Wechselwirkungen bei Abständen von einigen Mikrometern oder sogar weniger. Das Verständnis dieser grundlegenden Mechanismen ist dringend notwendig, um valide Modellvorstellungen von Prozessen wie der Stabilisierung von Dispersionen oder der Ausbildung von Schichten aus Partikeldispersionen zu erstellen.

Da vielerorts Methoden und Formalismen zur Beschreibung der auftretenden Mechanismen fehlen, können offene Probleme bisher nur empirisch durch Versuch und Irrtum untersucht werden. Die sogenannten Feldversuche sind sehr kostspielig, da sie häufig in Großindustriellen Anlagen unter enormen Energieaufwand ausgeführt werden müssen. Ziel von KANON ist die Notwendigkeit von Feldversuchen durch ein besseres Grundverständnis der kolloidalen Wechselwirkungen zu reduzieren.

Ein konkretes technisches Beispiel ist die Entwicklung von Tonern in flüssiger Form in der modernen Druck- und Lackierindustrie. Um die Haftkräfte und eine möglichst gute gleichmäßige Verteilung der Partikel auf bedruckte Bereiche steuern zu können, müssen die physikalischen Zusammenhänge hinreichend verstanden werden. Die zentrale wissenschaftliche Aufgabe besteht also darin, Toner-Toner-Wechselwirkungen sowie Toner-Substrat-Wechselwirkungen unter den Randbedingungen des Druckprozesses in der Flüssigkeit zu studieren.

Die direkte Vermessung von Partikelwechselwirkungen bei Dispersionen sowie die Verfolgung von Vorgängen bei Agglomerationen und Adsorptionen, wird ein breites Einsatzfeld bei volkswirtschaftlich relevanten Themen erzielen. Viele Entwicklungen im Bereich von Lebensmitteln, Farben, Kosmetik, Nanomaterialien oder auch Verbundwerkstoffen können von einen besseren Verständnis kolloidaler Wechselwirkungen profitieren.

Das bessere Verständnis wird Grundlage für die Modellierung des Verhaltens von kolloidalen Systemen sein, und kann so weitreichende Folgen für die gesellschaftliche Entwicklung haben. Der Anteil von breit angelegten Feldversuchen bei der industriellen Entwicklung von Produkten der Partikeltechnologie ist bisher sehr hoch. Der Einsatz hoch entwickelter Modellrechnungen lässt erwarten, dass ein prädikativer Ansatz über Kraftmessungen mittels optischer Pinzetten, eine zielgerichtete industrielle Entwicklungsarbeit erleichtert und signifikant kostengünstiger sowie energieeffizienter gestaltet.

Im KANON Projekt wurden Methoden zur hochpräzisen Handhabung von einzelnen Partikeln mithilfe von Mikrokapillaren entwickelt. Darauf basierend und in Kombination mit schnellen Positionsdetektoren und automatischen Kalibrationsalgorithmen wurde die automatische Aufnahme von Kraft-Abstandskuren etabliert.

Diese Methode der Kraftspektroskopie ist für sowohl transparente als auch intransparente Partikel eine einzigartige Möglichkeit der Analyse von Partikel-Partikel Wechselwirkungen als auch von Partikel-Oberflächen Wechselwirkungen. Der Beitritt von Kronos International zum Projektkonsortium unterstreicht das wirtschaftliche Potential der entwickelten Methoden für Partikel-Hersteller in der Farbindustrie.

Weitere Informationen

Ansprechpartner / Verbundkoordinator

Dr. Stefan Niehren
Molecular Machines & Industries GmbH
Breslauerstr. 2
85386 Eching

Tel.: 089/31904840
niehren@molecular-machines.com

Fußzeile

  • ResearchGATE's
  • Mister Wong
  • LinkaARENA
  • google.com
  • Webnews
  • YiggIt
  • Folkd