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Light-driven diffusioosmosis

Licht-getriebene Diffusioosmose

  • The emergence of microfluidics created the need for precise and remote control of micron-sized objects. I demonstrate how light-sensitive motion can be induced at the micrometer scale by a simple addition of a photosensitive surfactant, which makes it possible to trigger hydrophobicity with light. With point-like laser irradiation, radial inward and outward hydrodynamic surface flows are remotely switched on and off. In this way, ensembles of microparticles can be moved toward or away from the irradiation center. Particle motion is analyzed according to varying parameters, such as surfactant and salt concentration, illumination condition, surface hydrophobicity, and surface structure. The physical origin of this process is the so-called light-driven diffusioosmosis (LDDO), a phenomenon that was discovered in the framework of this thesis and is described experimentally and theoretically in this work. To give a brief explanation, a focused light irradiation induces a local photoisomerization that creates a concentration gradient at theThe emergence of microfluidics created the need for precise and remote control of micron-sized objects. I demonstrate how light-sensitive motion can be induced at the micrometer scale by a simple addition of a photosensitive surfactant, which makes it possible to trigger hydrophobicity with light. With point-like laser irradiation, radial inward and outward hydrodynamic surface flows are remotely switched on and off. In this way, ensembles of microparticles can be moved toward or away from the irradiation center. Particle motion is analyzed according to varying parameters, such as surfactant and salt concentration, illumination condition, surface hydrophobicity, and surface structure. The physical origin of this process is the so-called light-driven diffusioosmosis (LDDO), a phenomenon that was discovered in the framework of this thesis and is described experimentally and theoretically in this work. To give a brief explanation, a focused light irradiation induces a local photoisomerization that creates a concentration gradient at the solid-liquid interface. To compensate for the change in osmotic pressure near the surface, a hydrodynamic flow along the surface is generated. Surface-surfactant interaction largely governs LDDO. It is shown that surfactant adsorption depends on the isomerization state of the surfactant. Photoisomerization, therefore, triggers a surfactant attachment or detachment from the surface. This change is considered to be one of the reasons for the formation of LDDO flow. These flows are introduced not only by a focused laser source but also by global irradiation. Porous particles show reversible repulsive and attractive interactions when dispersed in the solution of photosensitive surfactant. Repulsion and attraction is controlled by the irradiation wavelength. Illumination with red light leads to formation of aggregates, while illumination with blue light leads to the formation of a well-separated grid with equal interparticle distances, between 2µm and 80µm, depending on the particle surface density. These long-range interactions are considered to be a result of an increase or decrease of surfactant concentration around each particle, depending on the irradiation wavelength. Surfactant molecules adsorb inside the pores of the particles. A light-induced photoisomerization changes adsorption to the pores and drives surfactant molecules to the outside. The concentration gradients generate symmetric flows around each single particle resulting in local LDDO. With a break of the symmetry (i.e., by closing one side of the particle with a metal cap), one can achieve active self-propelled particle motion.show moreshow less
  • Mit Aufkommen der Mikrofluidik entstand eine größere Nachfrage nach präziser und berührungsfreier Manipulation von mikrometergroßen Objekten. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie Bewegung im Mikrometerbereich durch ein lichtschaltbares Tensid erzeugt werden kann, deren Hydrophobizität sich durch Beleuchtung ändert. Eine fokussierte punktförmige Laserbestrahlung erzeugt einen radial nach außen oder innen gerichteten Fluss an der Substratoberfläche je nach Laserwellenlänge. Mikropartikel die sich auf der Oberfläche befinden, bewegen sich dadurch passiv mit dem Fluss entweder zum Bestrahlungspunkt hin oder vom Bestrahlungspunkt weg. Die Partikelbewegung wird in Abhängigkeit von den folgenden Parametern untersucht: Tensid- und Salzkonzentration, Bestrahlungsbedingungen, Hydrophobizität der Oberfläche und Oberflächenstruktur. Der Grund für die Bewegung kann in einem Prozess gefunden werden, der sogenannten lichtgetriebenen Diffusioosmose (LDDO), die im Rahmen dieser Dissertation entdeckt und theoretisch sowie experimentell beschriebenMit Aufkommen der Mikrofluidik entstand eine größere Nachfrage nach präziser und berührungsfreier Manipulation von mikrometergroßen Objekten. In dieser Arbeit wird gezeigt, wie Bewegung im Mikrometerbereich durch ein lichtschaltbares Tensid erzeugt werden kann, deren Hydrophobizität sich durch Beleuchtung ändert. Eine fokussierte punktförmige Laserbestrahlung erzeugt einen radial nach außen oder innen gerichteten Fluss an der Substratoberfläche je nach Laserwellenlänge. Mikropartikel die sich auf der Oberfläche befinden, bewegen sich dadurch passiv mit dem Fluss entweder zum Bestrahlungspunkt hin oder vom Bestrahlungspunkt weg. Die Partikelbewegung wird in Abhängigkeit von den folgenden Parametern untersucht: Tensid- und Salzkonzentration, Bestrahlungsbedingungen, Hydrophobizität der Oberfläche und Oberflächenstruktur. Der Grund für die Bewegung kann in einem Prozess gefunden werden, der sogenannten lichtgetriebenen Diffusioosmose (LDDO), die im Rahmen dieser Dissertation entdeckt und theoretisch sowie experimentell beschrieben wurde. Der Prozess kann wie folgt betrachtet werden: Die fokussierte Bestrahlung induziert eine lokale Photo-Isomerisation der Tensidmoleküle, die eine Monomer-Konzentrationsänderung zur Folge hat. Lokal entsteht ein hierdurch ein höherer osmotischer Druck an der Oberfläche. Um den Druckunterschied an der Oberfläche auszugleichen, wird ein hydrodynamischer Fluss nahe der Oberfläche erzeugt. Hierbei bestimmt vor allem die Wechselwirkung zwischen Tensid und Oberfläche den induzierten Fluss. Es wird gezeigt, dass die Oberflächenadsorption des Tensids vom Isomerisationszustand abhängt. Somit kann eine Bestrahlung ein Ablösen von oder Anhaften an der Oberfläche erzeugen. Diese Änderung der Oberflächenkonzentration kann als einer der Gründe für die Flussentstehung angesehen werden. Diese hydrodynamischen Oberflächenflüssen können nicht nur durch einen fokussierten Laser erzeugt werden, sondern auch durch eine gesamte Bestrahlung der Oberfläche. Hierbei zeigen poröse Partikel eine reversible Anziehung und Abstoßung, wenn sie sich in einer Tensidlösung und an einer Substratoberfläche befinden. Die Wechselwirkung kann hierbei durch die Bestrahlungswellenlänge kontrolliert werden. In Dunkelheit oder in rotem Licht ziehen sich die Partikel gegenseitig an, währenddessen sie sich unter blauer Bestrahlung abstoßen und ein Partikelnetz erzeugen mit äquidistanten Abständen zwischen den Partikeln. Die Partikelabstände hängen von der Partikeldichte an der Oberfläche ab und variieren zwischen 2µm und 80µm. Der Grund für die reversible Anziehung und Abstoßung wird ähnlich zu LDDO in einer lichtinduzierten Konzentrationsänderung gesehen. Tensidmoleküle adsorbieren innerhalb der Poren der Partikel. Durch eine lichtinduzierte Isomerisation werden die Moleküle ausgestoßen. Hierbei entsteht die Konzentrationsänderung um jedes poröse Partikel herum, währenddessen sie in LDDO um den Laserpunkt entsteht. Somit werden diffusioosmotische Flüsse symmetrisch um jedes Partikel erzeugt, wohingegen sie in LDDO nur um den Laserpunkt erzeugt werden.Demzufolge stoßen sich die Partikel durch eine hydrodynamische Wechselwirkung ab. Es wird gezeigt, dass aufgrund eines Symmetriebruchs durch ein Abdecken einer Partikelhälfte eine aktive selbstgetriebene Partikelbewegung erzeugt werden kann.show moreshow less

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Metadaten
Author:David FeldmannORCiDGND
URN:urn:nbn:de:kobv:517-opus4-417184
Subtitle (English):the manipulation of colloids using azobenzene containing surfactant
Subtitle (German):Manipulation von Kolloiden mittels azobenzolhaltigen Tensiden
Advisor:Svetlana Santer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2018
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2018/09/24
Release Date:2018/10/08
Tag:Diffusioosmose; Janus Partikel; Mikroschwimmer; Oberfläche; Oberflächenfluss; Partikel; azobenzolhaltige Tenside; fest-flüssig Grenzfläche; licht-getrieben; selbst-getriebene Partikel
Diffusioosmosis; Janus particle; azobenzene surfactant; light-driven; micro swimmer; particles; self-propelled particle; solid-liquid interface; surface; surface flow
Pagenumber:viii, 150
RVK - Regensburg Classification:UF 4270
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik
Licence (German):License LogoCreative Commons - Namensnennung, 4.0 International