Die Optofluidik ist ein aufstrebendes Forschungsgebiet, welches die Mikrofluidik mit der Optik vereint. Als solches weist sie einen weiten Einflussbereich sowohl in der Grundlagenforschung wie auch im Ingenieurwesen auf. Von großem Interesse in der optofluidischen Forschung ist die Manipulation von kleinen Objekten wie Partikeln oder Tröpfchen. Die präzise Lokalisierung und kontrollierte Bewegung solcher Objekte erweist sich als eine anspruchsvolle Aufgabe. Die Vereinigung von Mikrofluidik und Optik eröffnet dabei einen neuen Weg, dieses Ziel zu erreichen und bietet dabei zusätzliche Vorteile wie berührungslose Manipulation und genaue Abstimmbarkeit. Diese Dissertation befasst sich mit der optofluidischen Manipulation von Partikeln und Tröpfchen mittels verschiedener neuer Konzepte.

Der Abschnitt über lichtinduzierte Partikelmanipulation beginnt mit optischen Pinzetten in einem mikrofluidischen Kanal. Die Motivation dieser Studie ist es, den Einfluss des Geschwindigkeitsprofils auf das eingefangene Partikel zu verstehen. Ein Versuchsaufbau mit optischer Falle wird unter Verwendung eines He-Cd-Lasers (Emission bei 442 nm) als Lichtquelle aufgebaut. Experimente zur optischen Falle werden unter zwei Strömungsbedingungen durchgeführt. Im ersten wird ein eingefangenes Teilchen in einem durchströmten mikrofluidischen Kanal einem parabolischen Geschwindigkeitsprofil ausgesetzt. Im zweiten Aufbau werden Partikel innerhalb einer Probenkammer gefangen, so dass bei Bewegung der Kammer relativ zur optischen Falle ein gleichmäßiges Geschwindigkeitsprofil auf das Teilchen wirkt. Es wurden Versuche mit verschiedenen optischen Leistungen sowie mit Teilchen unterschiedlichen Durchmessers durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass für Teilchen mittlerer Größe die Fallenkraft innerhalb des mikrofluidischen Kanals höher ist als im Fall von Teilchen, die einer Probenkammer gefangen sind. Dies kann auf den Beitrag der Saffmanschen Auftriebskraft aufgrund des Geschwindigkeitsgradienten im parabolischen Profil zurückgeführt werden. Experimentell gemessene Steifigkeiten der optischen Falle zeigen eine gute Übereinstimmung mit dem theoretischen Modell.

Darauf folgend präsentieren wir eine neuartige Methode der Partikelmanipulation. Hierbei wird das an der Luft-Wasser-Grenzfläche adsorbierte Mikropartikel eingefangen und entlang der Grenzfläche bewegt. Die Methode beruht auf an der Gas-Flüssigkeits-Grenzfläche adsorbierten lichtempfindlichen Tensiden, die mittels Licht reversibel zwischen zwei isomeren Zuständen (einem trans- und einem cis-Zustand) hin und her geschaltet werden können. Das Prinzip basiert auf der lokalen Änderungen der Oberflächenspannung, welches zu Marangoni-Spannungen führt. Abhängig von der Art des Isomers in der Nähe des Laserspots wird eine Strömung entweder radial nach innen oder nach außen erzeugt. Zum Festhalten von Mikropartikeln wird der Strahl eines 325 nm He-Cd-Lasers auf die Grenzfläche fokussiert, was zu einer in Richtung Brennpunkt gerichteten Strömung führt. Diese nach innen gerichtete Strömung wird zum Einfangen und Bewegen von Partikeln verwendet. Die Strömungsgeschwindigkeit an der Grenzfläche wird mittels Particle-Streak-Velocimetry bestimmt. Es wird experimentell gezeigt, dass dieser Fallenmechanismus eine Manipulation der gefangenen Teilchen bei geringerer Intensität ermöglicht als bei einer herkömmlichen optischen Pinzette.

Schließlich wurden Studien zur lichtinduzierten Manipulation von Tröpfchen auf mit temperaturempfindlichem PNIPAM (Poly (N-isopropylacrylamid)) beschichteten Oberflächen durchgeführt. Dabei wurde eine Schicht PNIPAM auf UV-absorbierenden Glasplatten abgeschieden. Die Absorption von UV-Licht im Glas erhöht dessen Temperatur, was zum Phasenübergang des PNIPAM Films von einer gequollenen (hydrophilen) zu einer kontrahierten (hydrophoben) Phase führt. Experimente zeigen, dass bei PNIPAM-Filmen der Phasenübergang vom hydrophilen zum hydrophoben Zustand bei etwa 26°C erfolgt. Im hydrophoben Zustand weist ein auf dem Substrat platzierter Wassertropfen einen Kontaktwinkel von etwa 78° auf, während dieser sich im hydrophilen Zustand auf 53° reduziert. Es wurde experimentell versucht, einen Wassertropfen dadurch anzutreiben, dass mittels lokaler Kühlung einer Seite des Tropfens ein Benetzbarkeitsgradient induziert wird. Obwohl der Tropfen sich in Richtung des kälteren Bereichs ausdehnt, bleibt er doch aufgrund der großen Kontaktwinkel-Hysterese an der zurückweichenden Kante des Tropfens an der Oberfläche haften.