DE10206083A1

DE10206083A1 - Verfahren zum Erzeugen monodisperser nanotropfen oder Nanopartikel und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens

Info

Publication number: DE10206083A1
Application number: DE10206083A
Authority: DE
Inventors: Steffen Hardt; Volker Hessel
Original assignee: Institut fuer Mikrotechnik Mainz GmbH
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-02-13
Filing date: 2002-02-13
Publication date: 2003-08-21
Anticipated expiration: 2022-02-14
Also published as: DE10206083B4; WO2003068381A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zum Erzeugen monodisperser Nanotropfen sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens beschrieben. DOLLAR A Der wesentliche Nachteil der bekannten Verfahren liegt in der schlechten Kontrollierbarkeit der Partikelgröße und Partikelform. Die Größe und Größenverteilung der Partikel hängt maßgeblich von den Reaktionsbedingungen, wie beispielsweise Temperatur, Druck und Konzentrationen ab, die sich in der Regel nicht beliebig einstellen lassen. Gleiches gilt für die Form der Partikel. DOLLAR A Demnach lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit welchem Nanotropfen oder Nanopartikel sphärischer Geometrie und definierter Größe erzeugt werden können. DOLLAR A Die Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, bei dem in ein kontinuierlich strömendes erstes Fluid A ein nicht mischbares zweites Fluid B aufgegeben wird, bei dem das Fluid B von dem Fluid A umgeben und bei dem der Strömungsquerschnitt (16, 25) des Fluids B in Strömungsrichtung (2) derart verjüngt wird, daß das Fluid B aufgrund seiner hydrodynamischen Instabilität in einzelne Tropfen (26) zerfällt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzeugen monodisperser Nanotropfen sowie einen mikrofluidischen Reaktor zum Durchführen des Verfahrens.
Die Erzeugung von Nanopartikeln und Nanotropfen mittels Diffusions- oder Niederdruckflammen wird beispielsweise in "Parametric study of zirconia nanoparticle synthesis in low pressure flames", A. Colibaba-Evulet et al., scripta mater. 44 (2001) 2259-2262, beschrieben. Hierbei wird insbesondere das Zusammenwirken der Parameter Druck, Temperatur und Durchflußrate hinsichtlich der Partikelgeometrie untersucht.
In der Veröffentlichung "In sito characterization of TiO₂ nanoparticle in chemical vapor reactor", J. H. Yu et al. scripta mater. (2001) 2213-2217, wird ein Verfahren zum Erzeugen von Nanopartikeln vorgestellt, das auf einer chemischen Fällungsreaktion in Emulsionen beruht. Schwerpunkt der Untersuchung war hier die Größenverteilung von TiO₂ Teilchen in Abhängigkeit des zugeführten Sauerstoffs, mit dem Ergebnis, daß bei wachsendem Sauerstoffzufluß die synthetischen TiO₂ Teilchen durch Ausflockung in ihrer mittleren Größe kleiner und enger in ihrer Größenverteilung werden.
Ein Verfahren bzw. eine Vorrichtung zum Erzeugen von Nanopartikeln wird in der Veröffentlichung "Aero-sol-gel Reactor for nano-powder-synthesis" von G. Beaucage et al., Journal of Nanoparticle Research 1 (1999) 379-392, beschrieben. Hierbei erfolgt die Erzeugung der Nanopartikel durch Sol-Gel- Reaktionen in Aerosolen. Der Aero-Sol-Gel Reaktor erlaubt ein Einwirken auf die Struktur, chemische Zusammensetzung und Außenfläche von Siliciumoxid- Pulvern durch eine Veränderung von Prozessparametern. Der Aero-Sol-Gel Reaktor beinhaltet einen trockenen Stickstoff, der sprudelnd durch Precursor- Flüssigkeiten eingeblasen wird, um Dampfströme auszubilden. Die Einblasvorrichtung kann erhitzt werden, um die Konzentrationen der Reaktionspartner in den Speiseströmen zu kontrollieren. In dem Entstehungsvorgang von Siliziumoxid aus Tetraethoxysilane (TEOS) sind drei Dampfströme in eine laminare Strömung aufgegeben, nämlich TEOS, Wasser und Salzsäure. Alle Prozeßdampfströme werden auf ca. 110°C erhitzt, um eine vorzeitige Kondensation zu verhindern. Die laminaren Strömungen fließen in eine Freiluftmix-/Kondensations-/Reaktionszone, die ähnlich ausgebildet ist, wie bei pyrolytischen Reaktoren. Die Nano-strukturierten Pulver werden nachfolgend in einem trichterförmigen Filter gesammelt.
Der wesentliche Nachteil der bekannten Verfahren liegt in der schlechten Kontrollierbarkeit der Partikelgröße und Partikelform. Die Größe und Größenverteilung der Partikel hängt maßgeblich von den Reaktionsbedingungen, wie beispielsweise Temperatur, Druck und Konzentrationen ab, die sich in der Regel nicht beliebig einstellen lassen. Gleiches gilt für die Form der Partikel.
Demnach lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu entwickeln, mit welchem Nanotropfen oder Nanopartikel sphärischer Geometrie und definierter Größe erzeugt werden können. Eine weitere Teilaufgabe besteht in der Bereitstellung eines mikrofluidischen Reaktors zum Durchführen des Verfahrens.
Die Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, bei dem in ein kontinuierlich strömendes erstes Fluid A ein nicht mischbares zweites Fluid B aufgegeben wird, bei dem das Fluid B von dem Fluid A umgeben und bei dem der Strömungsquerschnitt des Fluids B in Strömungsrichtung derart verjüngt wird, daß das Fluid B aufgrund seiner hydrodynamischen Instabilität in einzelne Tropfen zerfällt. Der wesentliche Vorteil dieses Verfahrens liegt in der Möglichkeit, allein durch die Wahl der Fluidmengenströme, ohne Veränderungen an einer Vorrichtung vornehmen zu müssen, die Größe der entstehenden Partikel steuern zu können. Dabei wird gleichzeitig die optimal gewünschte Kugelform der Teilchen mit einer vorgebbaren Partikelgröße erzielt.
Vorteilhafterweise werden die Fluide A, B in einem Fokussierungsmodul durch eine geometrische Querschnittsverkleinerung beschleunigt und einem Tropfenbildungskanal mit konstanter Öffnungsweite zugeführt. Die geometrische Querschnittsverkleinerung im Fokussierungsmodul stellt eine einfach zu realisierende Möglichkeit zur Verjüngung des Strömungsquerschnitts der Fluide in Strömungsrichtung dar. Die geometrische Querschnittsverkleinerung kann dabei über einen sich verkleinernden Querschnitt, wie z. B. einen Trichter oder aber über eine stufenartige Verkleinerung der Öffnungsweite erreicht werden. Im Falle der stufenartigen Verkleinerung der Öffnungsweite können sich stationäre Wirbel im Stauraum der Stufen ausbilden, die jedoch auf das Wirkprinzip keinen Einfluß nehmen.
In einem alternativen Verfahren wird in einem Fokussierungsmodul anstelle der vorstehend beschriebenen geometrischen Querschnittsverkleinerung einem Fluidstrom B über in Strömungsrichtung verteilt angeordneter Einlaßöffnungen ein Fluid A zugeführt. Hierdurch wird die Gefahr von Blockierungen durch sich bereits im Tropfenbildungskanal bildende Partikel erheblich gesenkt.
Vorzugsweise wird das Fluid A nach Durchströmen des Fokussierungsmoduls in einem Rückstromkanal gegen die Strömungsrichtung zurückgeführt. Dadurch kann das Fluid A wiederverwendet und dessen Verbrauch minimiert werden.
Günstigerweise wird in das Fluid A über einen Zugang ein Steuerfluid X aufgegeben. Dadurch kann auf den Ort der Tropfenbildung im Tropfenbildungskanal Einfluß genommen werden, da der Ort der Tropfenbildung neben der Größe des Strömungsquerschnitts von Stoffparametern wie Dichte, Viskosität und Oberflächenspannung abhängt.
Durch die Zugabe eines Steuerfluids X könnte beispielsweise die Grenzflächenspannung zwischen den Fluiden A und B verändert und damit die Tropfenbildung des Fluids B ausgelöst werden. Das Steuerfluid X trägt somit bei, den Bildungsprozess von Nanotropfen hinsichtlich seiner geometrischen Vorgaben weiter zu optimieren.
Vorteilhafterweise werden die Fluide A, B über ein Verteilermodul dem Fokussierungsmodul zugeführt. Das Verteilermodul dient dazu, die Fluide A, B mit definierten Anfangsbedingungen aufzugeben.
Vorzugsweise werden aus dem Verteilermodul mehrere parallel beabstandete Fluidströme B in das Fokussierungsmodul abgegeben. Indem die Tropfenbildung parallelisiert wird, kann die Durchflußmenge und damit der Umsatz erhöht und der Druckabfall verringert werden. Bei nur einem Fluidstrom B hat der Tropfenbildungskanal einen sehr kleinen Strömungsquerschnitt. Mehrere Fluidströme B dagegen lassen einen größeren Strömungsquerschnitt zu.
Günstigerweise wird auf elektrische leitfähige Fluide A, B eine Kraft mittels einer Magnetspule oder eines Festkörpermagneten ausgeübt. Dadurch bedingt strömen die elektrisch leitfähigen Fluide A, B durch ein Magnetfeld, in welchem sie stabilisiert werden. Mit Hilfe des Magnetfeldes könnte beispielsweise ein vorzeitiger Zerfall in Tropfen verhindert werden. Zur Erzeugung des Magnetfeldes können sowohl Magnetspulen als auch Festkörpermagnete eingesetzt werden.
Vorteilhafterweise werden die Fluide A, B mit einem Laser bestrahlt. Mit Hilfe des Lasers könnte das Fluid B geheizt werden, wodurch sich wiederum die Stoffeigenschaften ändern. Auf diese Weise kann auf den Ort der Tropfenentstehung im Tropfenbildungskanal Einfluß genommen werden.
Das Verfahren kann auch vorteilhaft ausgeführt werden, indem dem Fokussierungsmodul ein drittes Fluid C zugeführt wird, wobei das Fluid B hydrodynamisch instabiler als das Fluid C gewählt ist. Dabei sollten in Strömungsrichtung des Fluid C von Fluid B und Fluid B von Fluid A umgeben sein, d. h. die Fluidströme ineinander geschachtelt sein. Diese Art der Fluidaufgabe, in Verbindung mit der Vorgabe, daß das Fluid B hydrodynamisch instabiler als Fluid C ist, ermöglicht konzentrische Tropfen des Fluids C in Fluid B. Dabei ist das Fluid C vollständig von Fluid B umgeben.
Sinnvoll kann auch eine andere Alternative sein, bei der das Fluid C instabiler als das Fluid B gewählt wird. Hiermit lassen sich dann Tropfen des Fluids B erzeugen, die eine Reihe von kleineren Tropfen C enthalten.
Günstigerweise kann in die Fluide A, B eine Spannung eingeprägt werden, wobei mindestens ein Fluid A oder Fluid B elektrolytische Eigenschaften besitzt. Dadurch kann eine definierte elektrische Ladung auf das Fluid A oder Fluid B aufgebracht werden, wodurch Tropfenagglomerationen und eine Tropfenkoaleszenz verhindert wird. Beispielsweise können das äußere Fluid A und das innere Fluid B in Kontakt mit einer Anode und einer Kathode stehen, von denen sich eine im Bereich des Verteilermoduls und die andere im Bereich des Reaktionsmoduls befindet. Wenn das Fluid B elektrolytische Eigenschaften aufweist und sich eine Elektrode am Reaktoreinlaß befindet, wandern im Fluid B Ladungen von der Elektrode weg zum Ort der Tropfenbildung. Dadurch wird eine definierte Ladung auf die Tropfen aufgebracht, die verhindert, daß die Tropfen koaleszieren und ein Sammeln der Tropfen bzw. der aus den Tropfen entstehenden Partikel an der Gegenelektrode möglich wird.
Als besonders günstig hat es sich erwiesen, zum Erzeugen von Nanopartikeln aus Nanotropfen die Tropfen in einem Reaktionsmodul in Partikel umzuwandeln. Die Umwandlung der monodispersen Nanotropfen in Nanopartikel ermöglicht die Herstellung von Nanopartikeln mit einer sehr engen Partikelgrößenverteilung und einer sehr regelmäßigen sphäroiden Form. Nanopartikel, die nach den aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren hergestellt werden, erreichen eine solch enge Partikelgrößenverteilung und Partikelform nicht. Weiterhin kann die Größe der Nanopartikel mit dem erfindungsgemäßen Verfahren durch die Wahl der geometrischen Querschnittsverkleinerung bzw. die Einstellung der hydrodynamischen Bedingungen und die Wahl der Mengenverhältnisse der Fluide sehr genau gesteuert werden. Außerdem können mit dem Verfahren sehr viel mehr verschiedene Stoffe zu Nanopartikeln verarbeitet werden als mit den bereits bekannten Verfahren, die alle nur unter extremen und sehr engen Verfahrensbedingungen ablaufen. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellte Nanopartikel sind für viele relativ neue Anwendungsgebiete, wie beispielsweise Beschichtungen von Oberflächen, Katalysatoren usw., von großer Bedeutung.
Bevorzugterweise werden die Partikel in dem Reaktionsmodul durch Polymerisation erzeugt. Dieses erlaubt eine räumliche Trennung der Verfahrensschritte, Bildung der Tropfen im Tropfenbildungskanal und Bildung der Partikel in dem daran anschließenden Reaktionsmodul.
Vorteilhafterweise wird als Fluid B eine Lösung aus Monomeren verwendet. Bei der Bildung von Partikeln durch Polymerisation liegen Monomere in Form eines Fluids vor.
Vorzugsweise wird die Polymerisation durch Zugabe von Initiatoren induziert. Mit der Zugabe von Initiatoren kann der Ort und Zeitpunkt der Partikelbildung gesteuert werden.
Günstigerweise wird die Polymerisation durch Einbringen von Wärme oder auch Licht induziert. Beide Möglichkeiten stellen einfache Methoden dar, die Polymerisation und damit die Bildung der Partikel einzuleiten.
Die Teilaufgabe wird mit einem mikrofluidischen Reaktor gelöst, bei dem in einem ersten kontinuierlichen Fluidstrom eines Fluids A ein zweiter Fluidstrom eines Fluids B eingebracht ist, wobei das Fluid B von Fluid A umgeben ist und die Fluide A, B nicht mischbar sind und bei dem ein Fokussierungsmodul mit einem in Strömungsrichtung zulaufenden Einlaßtrichter ausgebildet ist, dem an seinem Öffnungskleinen Ende ein Tropfenbildungskanal angeschlossen ist. Die derartig aufgebaute Vorrichtung ermöglicht eine definierte Erzeugung von Nanotropfen oder Nanopartikeln mit einer sphärischen Geometrie und einer definierten Größe. Darüber hinaus benötigt der mikrofluidische Reaktor keine kleinen, schwer zu fertigenden Mikrostrukturen zur Formung der Fluidströme, die größer gewählt werden können als die Nanotropfen oder Nanopartikel, wodurch sich insbesondere der Fertigungsaufwand reduziert. Das Fokussierungsmodul muß nicht unbedingt einen im engeren Sinne kontinuierlich zulaufenden Einlaßtrichter aufweisen. Die Verjüngung der Fluidquerschnitte kann auch durch stufenartige Querschnittsverengungen im Fokussierungsmodul erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Verteilermodul zum Zuführen der Fluide A, B in das Fokussierungsmodul mit einer Vielzahl von Auslaßkanälen des Fluids A und Auslaßkanälen des Fluids B ausgebildet.
Vorzugsweise weisen die Auslaßkanäle des Fluids B eine Öffnungsweite von 100 nm bis 500 µm auf, wobei sich als besonders günstig eine Öffnungsweite von 1 µm bis 100 µm herausgestellt hat.
In einer besonderen Ausgestaltung weist der Tropfenbildungskanal die Öffnungsweite des Öffnungskleinen Endes des Einlaßtrichters auf.
Bei einer anderen alternativen Ausführungsform des mikrofluidischen Reaktors ist in einem ersten kontinuierlichen Fluidstrom eines Fluids A ein zweiter Fluidstrom eines Fluids B eingebracht, wobei das Fluid B vollständig von dem Fluid A umgeben ist und die Fluide A, B nicht mischbar sind und in einem Fokussierungsmodul mit einer im wesentlichen konstanten Öffnungsweite strömen, bei dem in mindestens einer Umfangswand des Fokussierungsmoduls in Strömungsrichtung versetzt Einlaßöffnungen zum Zuführen des Fluids A angeordnet sind, und bei dem an das Fokussierungsmodul ein Tropfenbildungskanal angeschlossen ist. Ein derartiger mikrofluidischer Reaktor fokussiert die Fluidströme hydrodynamisch. Dadurch bedingt können die mikrofluidischen Reaktoren mit größeren, einfacher herzustellenden Strukturen versehen sein, da der Querschnitt des zweiten Fluidstroms nicht durch die Geometrie des mikrofluidischen Reaktors, sondern durch eine sich wiederholende Zudosierung des Fluids A, verjüngt wird.
Vorzugsweise weist das Fokussierungsmodul des vorstehend beschriebenen mikrofluidischen Reaktors Trennstrukturen zum Abgrenzen eines Rückstromkanales auf. Die Trennstrukturen ermöglichen eine bessere Führung des Fluids A.
Als günstig hat es sich erwiesen, in der Umfangswand Zugänge zur Aufgabe eines dritten mit Fluid A mischbaren Steuerfluids X auszubilden.
Vorteilhafterweise ist an dem Tropfenbildungskanal in Strömungsrichtung ein Reaktionsmodul angeschlossen.
In einer besonderen Ausgestaltung weist das Reaktionsmodul Einlaßöffnungen auf, über die beispielsweise Initiatoren für ein Auslösen einer Polymerisation zugegeben werden können. Hierdurch kann der Ort und Zeitpunkt der Partikelbildung gesteuert werden.
Vorzugsweise umfaßt das Reaktionsmodul eine Wärme- oder Lichtquelle, um die Polymerisationsreaktion und damit die Bildung der Partikel einzuleiten.
Günstigerweise ist an dem Fokussierungsmodul eine Magnetspule angeordnet. Über die Magnetspule wird ein Magnetfeld aufgebaut, welches die elektrisch leitfähigen Fluide stabilisiert und einen vorzeitigen Zerfall im Tropfen vorbeugt. Anstelle der Magnetspule kann auch ein Festkörpermagnet verwendet werden.
Vorteilhafterweise ist an dem Tropfenbildungskanal ein Laser angeordnet. Mittels des Lasers können die beiden Fluide A, B aufgeheizt werden, wodurch sich die Stoffeigenschaften ändern. Auf diese Weise kann auf den Ort der Tropfenentstehung Einfluß genommen werden.
In einer günstigen Ausgestaltung ist jeweils an dem Verteilermodul und dem Reaktionsmodul eine Elektrode angebracht, mit der in die Fluide A, B eine Spannung eingeprägt werden kann.
Anhand der nachfolgenden Figuren wird die Erfindung beispielhaft näher erläutert. Es zeigen die:
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines mikrofluidischen Reaktors gemäß einer ersten Ausführungsform;
Fig. 2 eine schematische Darstellung eines mikrofluidischen Reaktors gemäß einer ersten Ausführungsform mit mehreren parallen Strömen des Fluids B;
Fig. 3 einen mikrofluidischen Reaktor gemäß Fig. 2 mit einer außerhalb des Reaktors angeordneten Magnetspule;
Fig. 4 einen mikrofluidischen Reaktor gemäß Fig. 2 mit einem Laser;
Fig. 5 eine schematische Darstellung eines mikrofluidischen Reaktors gemäß der ersten Ausführungsform zur Kapselung eines dritten Fluids C;
Fig. 6 einen mikrofluidischen Reaktor gemäß Fig. 1 mit Elektroden an Verteilermodul und Reaktionsmodul;
Fig. 7 eine schematische Darstellung eines mikrofluidischen Reaktors gemäß einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 8 einen mikrofluidischen Reaktor gemäß Fig. 7 mit zwei gegenüberliegenden Rückstromkanälen; und
Fig. 9 eine schematische Darstellung eines mikrofluidischen Reaktors mit Einlaßöffnungen für das Steuerfluid X.
Die Fig. 1 zeigt schematisch einen mikrofluidischen Reaktor gemäß einer ersten Ausführungsform, bei welcher der Strom der Fluide A, B durch die geometrische Ausgestaltung des Reaktors fokussiert wird. Ausgehend von dem Verteilermodul 6, in dem das Fluid A über die Auslaßkanäle 7 und das Fluid B über den Auslaßkanal 8 in das Fokussierungsmodul 1 aufgegeben wird, strömen die Fluide A, B in Strömungsrichtung 2 durch eine Querschnittsverkleinerung 27 in den Tropfenbildungskanal 5. Der Auslaßkanal 8 des Fluids B weist im Bereich des Übergangs in das Fokussierungsmodul 1 eine Öffnungsweite 9 auf, deren Abmessung typischerweise wenige Mikrometer beträgt. Aufgrund der Anordnung der Auslaßkanäle 7 beidseitig des Auslaßkanals 8 ist das Fluid B beidseitig von dem Fluid A umgeben.
Aufgrund der geometrischen Querschnittsverkleinerung 27 von der Öffnungsweite 11 des Fokussierungsmoduls 1 auf die Öffnungsweite 10 des Tropfenbildungskanals 5 kommt es zu einem verengten Strömungsquerschnitt 16 des Fluids B. Die geometrische Querschnittsverkleinerung 27 kann in einer oder in zwei Raumrichtungen stattfinden. In der Fig. 1 sind die Trichterwände 30 senkrecht zum Tropfenbildungskanal 5 dargestellt, so daß es zu einer Ausbildung einer Wirbel- beziehungsweise Totwasserzone 29 kommt. Durch eine Schrägstellung der Trichterwände 30 mit dem umfangswandseitigen Ende 31 in Richtung des Verteilermoduls 6 kann die Ausbildung der Wirbel- und Totwasserzone 29 verringert oder vermieden werden.
Innerhalb des eine konstante Öffnungsweite 10 aufweisenden Tropfenbildungskanals 5 kommt es zur Ablösung einzelner Tropfen 26 aus dem bis dahin kontinuierlichen Strom des Fluids B.
Zur Erzeugung von Partikeln 28 aus Tropfen 26 ist dem Tropfenbildungskanal 5 ein Reaktionsmodul 17 angeschlossen. Die Tropfen 5 des Fluids B gelangen dabei zusammen mit dem Fluid A über die Einlaßöffnung 18 in das Reaktionsmodul 17. Die eigentliche Partikelbildung erfolgt beispielsweise durch Polymerisation unter Einfluß von Wärme. Die Wärme wird in dem Ausführungsbeispiel über eine außerhalb der Umfangswand 32 des Reaktormoduls 17 angeordnete Wärmequelle 19 erzeugt.
In der Fig. 2 ist ebenfalls ein mikrofluidischer Reaktor gemäß der ersten Ausführungsform dargestellt, d. h. mit einer geometrischen Fokussierung, wobei jedoch mehrere parallele Ströme des Fluids A und der Fluide B abwechselnd in das Verteilermodul 6 aufgegeben werden. Hierdurch wird der Durchsatz der Fluide und somit das Ausbringen am Tropfen 26 bzw. Partikeln 28 (nicht eingezeichnet) gesteigert.
Abweichend von der in Fig. 1 gezeigten Ausgestaltung verlaufen die Trichterwände 30 in Richtung des Öffnungskleinen Endes 4 des Einlaßtrichters 3 bogenförmig aufeinander zu.
An dem Tropfenbildungskanal 5 könnte sich zur Bildung von Partikeln 28 aus den Tropfen 26 ein Reaktionsmodul 17 anschließen, was jedoch in der Fig. 2 nicht gezeigt ist.
Die Fig. 3 zeigt eine Ausführung des mikrofluidischen Reaktors gemäß Fig. 2 mit einer im Bereich der Umfangswand 12 angeordneten Magnetspule 21, welche zur Ausbildung eines axialen Magnetfeldes 24 geeignet ist. Mit Hilfe des Magnetfeldes 24 wird eine Kraft auf das Fluid B ausgeübt, falls dessen elektrische Leitfähigkeit verschieden von Null ist. Eine endliche Leitfähigkeit wäre mit Hilfe eines Elektrolyten realisierbar. Aus der Magnetohydrodynamik ist bekannt, daß ein ausreichend starkes Magnetfeld einen Zerfall von Fluidströmen verhindern kann. Damit ist es möglich, die Ströme des Fluids B im Fokussionsmodul 1 zu stabilisieren und die Wirkung der hydrodynamischen Instabilität und somit die Bildung von Tropfen 26 auf den Tropfenbildungskanal 5 zu beschränken.
Die Fig. 4 zeigt ebenfalls eine erste Ausführungsform des mikrofluidischen Reaktors, bei der jedoch im Bereich des Tropfenbildungskanals 5 ein Laser 22 angeordnet ist. Der gepulste Laser prägt ein periodisches Temperaturprofil auf die durch den Tropfenbildungskanal 5 fließende Ströme des Fluids B. Durch die Wellenlänge des Temperaturprofils ist es möglich, die Zerfallswellenlänge festzulegen. Damit kann wiederum die Größe der Tropfen 26 beeinflußt und Variationen jenseits des für die ungestörte Dynamik charakteristischen Verhältnisses von Tropfengröße zu Größe des Fluidstromes des Fluids B möglich werden. Eine selektive Beeinflussung spezifischer Fluide kann in diesem Zusammenhang durch eine Abstimmung der Laserwellenlänge auf die Absorbtionsbanden der Moleküle des Fluids B erreicht werden.
In der Fig. 5 weist das Verteilermodul 6 eine zusätzliche Möglichkeit auf, ein drittes Fluid C geschachtelt in das Fluid B, und dieses wiederum umgeben von Fluid A aufzugeben. Ein derartiger mikrofluidischer Reaktor bietet die Möglichkeit aus mehreren Schichten aufgebaute Tropfen 26 bzw. Partikel 28 (nicht eingezeichnet) zu erzeugen. Hierfür ist es notwendig, die Stoffeigenschaften so zu wählen, daß die Bildung von Tropfen 26 des Fluids B vor dem Zerfall des Fluidstromes von Fluid C stattfindet. In diesem Fall weisen die Tropfen 26 bzw. Partikel 28 (nicht eingezeichnet) einen Kern 33 um eine Hülle 34 aus unterschiedlichen Materialien auf.
In der Fig. 6 ist ein mikrofluidischer Reaktor gemäß der ersten Ausführungsform dargestellt, an dessen Verteilermodul 6 Kathoden 23a und im Bereich des Reaktionsmoduls 17 eine Anode 23b angebracht sind. Die Feldlinien 36 sind als unterbrochene Linien von den Kathoden 23a zur Anode 23b eingezeichnet. In dem Ausführungsbeispiel wandern in dem elektrolytische Eigenschaften aufweisenden Fluid B negative Ladungen von der Kathode 23a weg zum Ort der Bildung der Tropfen 26 im Tropfenbildungskanal 5. Dadurch wird eine definierte negative Ladung auf die Tropfen gebracht, die verhindert, daß die Tropfen 26 koaleszieren und ein Sammeln der Tropfen 26 bzw. der Partikel 28 an der Anode 23b möglich ist.
Im Bereich des Reaktionsmoduls 17 ist zur Bildung der Partikel 28 mittels Polymerisation eine Lichtquelle 20 vorhanden.
Die Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines mikrofluidischen Reaktors gemäß einer zweiten Ausführungsform. Dabei befindet sich das Fluid B mittig in dem Fokussierungsmodul 1 bzw. dem Tropfenbildungskanal 5, umgeben von dem Fluid A. In Strömungsrichtung 2 versetzt ist die Umfangswand 12 des Fokussierungsmoduls 1 mit Einlaßöffnungen 13 versehen, die eine sukzessive Zuführung des Fluids A in das Fokussierungsmodul 1 erlauben. Abweichend von der ersten Ausführungsform ist die Öffnungsweite 11 des Fokussierungsmoduls 1 identisch mit der Öffnungsweite 10 des Tropfenbildungskanals 5. Die Verringerung des Strömungsquerschnitts 25 des Fluids B erfolgt ohne geometrische Veränderung des mikrofluidischen Reaktors allein aus der Zuführung des Fluids A.
In Fig. 8 ist eine bevorzugte Ausführung des Reaktors gemäß der Fig. 7 dargestellt, bei der im Übergangsbereich 38 von Fokussierungsmodul 1 zu dem Tropfenbildungskanal 5 eine teilweise Strömungsumkehr 37 des Fluids A stattfindet, wobei ein Teil des Fluids A in den durch Trennstrukturen 14 abgetrennten Rückstromkanal 15 zurückfließt und erneut durch die Einlaßöffnungen 13 in das Fokussierungsmodul 1 strömt. Mit Hilfe dieser konstruktiven Ausgestaltung kann die benötigte Menge des Fluids A minimiert werden.
Die Fig. 9 stellt die zweite Ausführungsform des mikrofluidischen Reaktors dar, in welcher in Strömungsrichtung 2 hinter den Einlaßöffnungen 13 des Fluids A in der Umfangswand 12 des Fokussierungsmoduls 1 beidseitig ein Zugang 35 für das Zufügen eines Steuerfluids X ausgebildet ist. Das Steuerfluid X ermöglicht eine Einflußnahme auf die Position der Bildung der Tropfen 26 in dem Tropfenbildungskanal 5. Bezugszeichenliste A Erstes Fluid
B Zweites Fluid
C Drittes Fluid
X Steuerfluid
1 Fokussierungsmodul
2 Strömungsrichtung
3 Einlaßtrichter
4 Öffnungskleines Ende Einlaßtrichter
5 Tropfenbildungskanal
6 Verteilermodul
7 Auslaßkanal Fluid A
8 Auslaßkanal Fluid B
9 Öffnungsweite Auslaßkanal Fluid B
10 Öffnungsweite Tropfenbildungskanal
11 Öffnungsweite Fokussierungsmodul
12 Umfangswand Fokussierungsmodul
13 Einlaßöffnungen für Fluid A
14 Trennstrukturen
15 Rückstromkanal
16 Strömungsquerschnitt Fluid B, erste Ausführungsform
17 Reaktionsmodul
18 Einlaßöffnung Reationsmodul
19 Wärmemquelle
20 Lichtquelle
21 Magnetspule
22 Laser
23a Kathode
23b Anode
24 Magnetfeld
25 Strömungsquerschnitt, Fluid B, zweite Ausführungsform
26 Tropfen
27 Querschnittsverkleinerung
28 Partikel
29 Wirbelzone bzw. Totwasserzone
30 Trichterwand
31 umfangsseitiges Ende, Trichterwand
32 Umfangswand, Reaktionsmodul
33 Kern
34 Hülle
35 Zugang, Steuerfluid X
36 Feldlinien, elektrisches Feld
37 Strömungsumkehr
38 Übergangsbereich, Fokussierungsmodul/Tropfenbildungskanal

Claims

1. Verfahren zum Erzeugen monodisperser Nanotropfen, bei dem in ein kontinuierlich strömendes erstes Fluid A ein nicht mischbares zweites Fluid B aufgegeben wird, bei dem das Fluid B von dem Fluid A umgeben und bei dem der Strömungsquerschnitt (16, 25) des Fluids B in Strömungsrichtung (2) in der Art verjüngt wird, daß das Fluid B aufgrund seiner hydrodynamischen Instabilität in einzelne Tropfen (26) zerfällt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Fluide A, B in einem Fokussierungsmodul (1) durch eine geometrische Querschnittsverkleinerung (27) beschleunigt und einem Tropfenbildungskanal (5) mit konstanter Öffnungsweite (10) zugeführt werden. (Fig. 1)

3. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem in einem Fokussierungsmodul (1) einem Fluidstrom B über in Strömungsrichtung (2) verteilt angeordnete Einlaßöffnungen (13) ein Fluid A zugeführt wird. (Fig. 7)

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem das Fluid A nach Durchströmen des Fokussierungsmoduls (1) in einem Rückstromkanal (15) gegen die Strömungsrichtung zurückgeführt wird. (Fig. 8)

5. Verfahren nach einen der Ansprüche 1-4, bei dem in das Fluid A über einen Zugang (35) ein Steuerfluid X aufgegeben wird. (Fig. 9)

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem die Fluide A, B über ein Verteilermodul (6) dem Fokussierungsmodul (1) zugeführt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem aus dem Verteilermodul (6) mehrere parallel beabstandete Fluidströme B in das Fokussierungsmodul abgegeben werden. (Fig. 2, 3, 4)

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-7, bei dem auf elektrisch leitfähige Fluide A, B eine Kraft mittels einer Magnetspule (21) oder eines Festkörpermagneten ausgeübt wird. (Fig. 3)

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-8, bei dem die Fluide A, B mit einem Laser (22) bestrahlt werden.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-9, bei dem dem Fokussierungsmodul (1) ein drittes Fluid C zugefügt wird, wobei das Fluid B hydrodynamisch instabiler als das Fluid C gewählt ist. (Fig. 5)

11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1-10, bei dem in Fluid A, B eine elektrische Spannung eingeprägt wird, wobei mindestens ein Fluid A, B elektrolytische Eigenschaften besitzt (Fig. 6)

12. Verfahren zum Erzeugen von Nanopartikeln aus Nanotropfen gemäß dem Verfahren der Ansprüche 1-11, bei dem die Tropfen (26) in einem Reaktionsmodul (17) in Partikel (28) umgewandelt werden.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem die Partikel (28) in dem Reaktionsmodul (17) durch Polymerisation erzeugt werden.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem als Fluid B eine Lösung aus Monomeren verwendet wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem die Polymerisation durch Zugabe von Initiatoren induziert wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-15, bei dem die Polymerisation durch Einbringen von Wärme induziert wird.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12-16, bei dem die Polymerisation durch Einbringen von Licht induziert wird.

18. Mikrofluidischer Reaktor zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-17, bei dem in einem ersten kontinuierlichen Fluidstrom eines Fluids A ein zweiter Fluidstrom eines Fluids B eingebracht ist, wobei das Fluid B von Fluid A umgeben ist und die Fluide A, B nicht mischbar sind und bei dem ein Fokussierungsmodul (1) mit einem in Strömungsrichtung (2) zulaufenden Einlaßtrichter (3) ausgebildet ist, dem an seinem Öffnungskleinen Ende (4) ein Tropfenbildungskanal (5) angeschlossen ist. (Fig. 1)

19. Mikrofluidischer Reaktor nach Anspruch 18, bei dem ein Verteilermodul (6) zum Zuführen der Fluide A, B in das Fokussierungsmodul (1) mit einer Vielzahl von Auslaßkanälen (7) des Fluids A und Auslaßkanälen (8) des Fluids B ausgebildet ist.

20. Mikrofluidischer Reaktor nach Anspruch 19, bei dem die Auslaßkanäle (8) des Fluids B eine Öffnungsweite (9) von 100 nm-500 µm aufweisen.

21. Mikrofluidischer Reaktor nach Anspruch 20, bei dem die Auslaßkanäle (8) des Fluids B eine Öffnungsweite (9) von 1 µm bis 100 µm aufweisen.

22. Mikrofluidischer Reaktor nach einem der Ansprüche 18-21, bei dem der Tropfenbildungskanal (5) die Öffnungsweite (10) des Öffnungskleinen Endes (4) des Einlaßtrichters (3) aufweist.

23. Mikrofluidischer Reaktor nach einem der Ansprüche 18-22, bei dem im Bereich des Tropfenbildungskanals (5) Zugänge (35) zur Aufgabe eines dritten mit Fluid A mischbaren Steuerfluids X ausgebildet sind.

24. Mikrofluidischer Reaktor zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-17, bei dem in einem ersten kontinuierlichen Fluidstrom eines Fluids A ein zweiter Fluidstrom eines Fluids B eingebracht ist, wobei das Fluid B vollständig von dem Fluid A umgeben ist und die Fluide A, B nicht mischbar sind und in einem Fokussierungsmodul (1) mit einer im wesentlichen konstanten Öffnungsweite (11) strömen, bei dem in mindestens einer Umfangswand (12) des Fokussierungsmoduls (1) in Strömungsrichtung (2) versetzt Einlaßöffnungen (13) zum Zuführen des Fluids A angeordnet sind, und bei dem an das Fokussierungsmodul (1) ein Tropfenbildungskanal (5) angeschlossen ist.

25. Mikrofluidischer Reaktor nach Anspruch 24, bei dem das Fokussierungsmodul (1) Trennstrukturen (14) zum Abgrenzen eines Rückstromkanales (15) aufweist. (Fig. 8)

26. Mikrofluidischer Reaktor nach Anspruch 24 oder 25, bei dem in der Umfangswand (12) Zugänge (35) zur Aufgabe eines dritten mit Fluid A mischbaren Steuerfluids X ausgebildet sind. (Fig. 9)

27. Mikrofluidischer Reaktor nach einem der Ansprüche 18-26 bei dem an den Tropfenbildungskanal (5) in Strömungsrichtung (2) ein Reaktionsmodul (17) angeschlossen ist.

28. Mikrofluidischer Reaktor nach Anspruch 27, bei dem das Reaktionsmodul (17) mindestens eine Einlaßöffnung (18) aufweist.

29. Mikrofluidischer Reaktor nach Anspruch 27, bei dem das Reaktionsmodul (17) eine Wärmequelle (19) umfaßt.

30. Mikrofluidischer Reaktor nach Anspruch 27, bei dem das Reaktionsmodul (17) eine Lichtquelle (20) umfaßt.

31. Mikrofluidischer Reaktor nach einem der Ansprüche 18-30, bei dem an dem Fokussierungsmodul (1) eine Magnetspule (21) angeordnet ist.

32. Mikrofluidischer Reaktor nach einem der Ansprüche 18-30, bei dem an dem Fokussierungsmodul (1) ein Festkörpermagnet angeordnet ist.

33. Mikrofluidischer Reaktor nach einem der Ansprüche 18-32, bei dem an dem Tropfenbildungskanal (5) ein Laser (22) angeordnet ist.

34. Mikrofluidischer Reaktor nach einem der Ansprüche 19-33, bei dem jeweils an dem Verteilermodul (6) und dem Reaktionsmodul (17) eine Elektrode (23a, 23b) angebracht ist.