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Flußmessungen in mikroskopischen Porenräumen

18.10.2003 - (idw) Universität Ulm

Flußmessungen in mikroskopischen Porenräumen
Kernspintomographische Untersuchungen zur Mikrofluidik

Elke Kossel, Doktorandin von Prof. Dr. Rainer Kimmich in der Sektion Kernresonanzspektroskopie der Universität Ulm, hat den Young Investigator's Award der 7th International Conference on Magnetic Resonance Microscopy 2003 in Snowbird, Utah, USA gewonnen. Ausgezeichnet wurde ihr Beitrag "Flow measurements below 50 µm: NMR microscopy experiments in lithographic model pore spaces" (Flußmessungen unterhalb 50 Mikrometern mit Hilfe der NMR-Mikroskopie), den sie in einem eingeladenen Vortrag einem Auditorium von 200 führenden Experten auf dem Gebiet der mikroskopischen Anwendung der Kernspintomographie vorgestellt hatte.

Die Kernspintomographie, deren mikroskopische Variante den methodischen Hintergrund von Elke Kossels Arbeit bildet, wird auch magnetic resonance imaging (MRI) genannt. In der breiten Öffentlichkeit ist diese Methodik vor allem durch ihre Anwendungen in der klinischen Diagnostik bekannt geworden. Aktuell hat die Verleihung des Nobelpreises für Medizin an den Chemiker Paul Lauterbur und den Physiker Sir Peter Mansfield ihre Publizität gefördert. Die International Conference on Magnetic Resonance Microscopy, die aller zwei Jahre wechselweise in Europa, den USA und Asien stattfindet, ist die wichtigste und größte auf ihrem Fachgebiet. Sie widmet sich den in rascher Entwicklung begriffenen MRI-Anwendungen vor allem auf dem nichtklinischen Sektor.

Das Prinzip der kernmagnetischen Resonanz beruht darauf, daß sich die meisten Atomkerne - und in diesem Zusammenhang insbesondere der Wasserstoffkern - wie kleinste Stabmagneten verhalten. In einem supraleitenden Magneten können die Atomkerne mit Hochfrequenzstrahlung angeregt werden, was dazu führt, daß sie ihrerseits Signale aussenden, die vielfältige Informationen über die Material- bzw. Gewebeeigenschaften ihrer Umgebung enthalten. Da es möglich ist, diese Informationen ortsaufgelöst zu entschlüsseln und in Form von Bildern darzustellen, eröffnen sie detaillierte Einblicke in das Innere der untersuchten Objekte.

Elke Kossel hat bei ihren Arbeiten eine Variante der Kernspintomographie eingesetzt, mit deren Hilfe die Fließgeschwindigkeit von Flüssigkeiten in einem porösen Objekt quantitativ erfaßt werden kann. Mit diesem "velocity mapping" genannten Verfahren erhält man eine Karte des Objekts, in der für jeden Ort die dort auftretende Geschwindigkeit ablesbar ist. Die Zielsetzung besteht darin, die Gesetzmäßigkeiten der Strömung in mikroskopischen Strukturen zu untersuchen. Die hierbei zu überwindenden Schwierigkeiten haben mit der geforderten räumlichen Auflösung (feiner als 50 Mikrometer) zu tun. Zum einen galt es poröse Modellobjekte, im vorliegenden Fall sogenannte Perkolationscluster (von percolare, lat. = durchsickern lassen), in geeigneter Form herzustellen. Dies gelang mit der Röntgentiefenlithographie, einer Technik, die Elke Kossel während eines Gastaufenthaltes an der Synchrotronstrahlungsquelle des Brookhaven National Laboratory, New York, in Versuchsserien erproben konnte.

Zum anderen ist die Messung von Geschwindigkeiten mit der geforderten Ortsauflösung deshalb mit Schwierigkeiten behaftet, weil sich die signalgebenden Atomkerne infolge ihrer Bewegung während der Messung, auch wenn diese nur einige Mikrosekunden dauert, aus dem Bildsegment, dem sie zu Meßbeginn zugeordnet wurden, entfernen können. Da in komplexen Porennetzwerken eine breite Geschwindigkeitsverteilung auftritt, läßt sich das Problem nicht allein durch die Wahl einer geeigneten Einflußgeschwindigkeit lösen. Dennoch gelang es erstmalig, zumindest Teile der Flußkarte experimentell mit der erforderlichen feinen Auflösung zu bestimmen. Durch einen Abgleich der Daten mit numerischen Computer-Simulationen des Flußfelds, die auf der Basis der bekannten Struktur des Porenraums durchgeführt werden, konnte die Zuverlässigkeit der Messungen nachgewiesen werden.

Die überwiegende Mehrzahl der Materialien in Natur und Technik sind in der einen oder anderen Form porös. Kenntnis und Kontrolle von Strömungen durch Mikroporennetzwerke gewinnen mit der immer aktueller werdenden Mikrosystemtechnologie auch entwicklungstechnische Bedeutung. Elke Kossel hat einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu einer neuen, praktikablen Methodik für die Mikrofluidik geleistet.

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