Elektrisch gesteuerter Flüssigkeitstransport

Das OpenDrop-Projekt begann vor etwa zwei Jahren damit, ein Gerät zu entwerfen, welches auf der Erkenntnis aufsetzt, dass kleine Flüssigkeitmengen mithilfe einer elektrischen Spannung bewegt werden können.

Dabei werden einige Millimeter große Elektroden so nebeneinander und/oder übereinander arrangiert, dass sich in ansteuerbarer Weise elektrische Felder räumlich gezielt anlegen lassen.

Der anziehende Effekt kommt zustande durch die Dielektrizität, die Polarisierung von Wasser-Molekülen, die sich im elektrischen Feld ausrichten, woraus eine anziehende Wirkung zwischen Flüssigkeit und Elektrode resultiert.

Die an die Elektroden angelegte Spannung kann Gleichspannung oder Wechselspannung sein. Der erforderliche Spannungshub liegt zwischen Hundert und Tausend Volt, 250 Volt sind praktikabel. Stromfluss wird vermieden, indem die Flüssigkeit galvanisch von der Elektrode isoliert wird.

Durch eine gesteuerte, zeitliche Abfolge von An- und Ausschalt-Vorgängen der Betriebsspannung an ausgewählte Elektroden, kann eine Flüssigkeit gezielt über eine Fläche bewegt werden. Sie lässt sich mit anderen Flüssigkeiten kombinieren und (wieder) aufteilen. So lassen sich beispielsweise unterschiedliche Edukte zu einer chemischen oder biochemischen Reaktion kombinieren, die automatisiert durchgeführt werden kann. Eine zusätzliche Temperatur-Steuerung erweitert das Repertoire durchführbarer (bio)chemischer Prozesse.

Die Flüssigkeit selbst bewegt sich in einem Gefäß, beispielsweise einem Zwischenraum zwischen zwei Flächen, die aus  Kunststoff, Glas, Metall, Holz oder anderem Material bestehen können. Auch runde Gefäße, wie Schläuche oder Kapillaren sind denkbar.

Die Elektroden können quadratisch, rechteckig, rund, aber grundsätzlich beliebig gestaltet sein.

Die Elektroden können planar sein. Insbesondere bei nicht-planaren Gefäßen, beispielsweise bei Kapillaren, kann es sich aber anbieten, sie nicht planar zu arrangieren, in diesem Beispiel um die Außenseite der Kapillare.

Die Bewegungsfähigkeit der Flüssigkeit wird verbessert, indem das Gefäß aus einem hydrophoben Material gefertig wird und/oder indem die an die Flüssigkeit angrenzende Oberfläche hydropob oder superhydrophob gestaltet wird. Dadurch kann u.a. die zum Betrieb erforderliche Spannung niedriger gewählt werden.

Die Bewegungsfähigkeit der Flüssigkeit wird auch verbessert, indem die Elektroden insbesondere an den Rändern so gestaltet werden, dass die Oberflächenspannung der Flüssigkeit durchbrochen wird, beispielsweise durch dreieckig oder rechteckig gezackte Elektroden-Ränder.

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