Winzige Flüssigkeitsmengen lassen sich nach Belieben bewegen, wenn man Wasser über einem Metallfilm via Laser ferngesteuert erhitzt. Mit den Strömungen lassen sich kleine Objekte manipulieren oder einfangen – auch für Nanotechnologie oder Diagnostik.
Strömungen sind auf allen Größenskalen wichtig − für den Transport von Flüssigkeiten in Rohren, von Nährstoffen in Blutgefäßen oder von Chemikalien in mikrofluidischen Systemen. Meist geht es dabei um ungesteuerte Strömungen, die durch eine Druckdifferenz entstehen. Sie bewegen alle Objekte mit der gleichen Geschwindigkeit entlang der Gefäßwände. Damit Moleküle zu sensorischen Elementen in der Mikrofluidik zu bringen oder Objekte mit Hilfe dieser Strömungen zusammenzusetzen, ist schwierig.
In kleisten Kanälen wie im Lab-on-chip starke Strömungen auslösen
Es gibt allerdings eine Alternative: Auch in kleinsten Kanälen lassen sich sehr starke Flüssigkeitsströmungen erzeugen, indem ein fokussierter Laserstrahl einen sehr dünnen Metallfilm auf einer Seite des Kanals erhitzt. Das löst Strömungen in einer ultradünnen Flüssigkeitsschicht nur wenige Nanometer über der Metalloberfläche aus. Diese vermischen die Flüssigkeit im Kanal mit einem bestimmten Strömungsmuster. Das lässt sich mit Nanopartikeln als Tracern nachweisen.
Martin Fränzl und Prof. Dr. Frank Cichos vom Institut für Physik der weichen Materie der Universität Leipzig haben herausgefunden, dass sich durch geschickte Kombination von Strömungen und die Kontrolle anderer Kräfte neue Möglichkeiten ergeben. Damit lassen sich, quasi ferngesteuert durch einen Laser, auch Nano-Objekte einfangen, separieren oder transportieren.
Objekte bewegen, ohne dass sich die ganze Flüssigkeit bewegt
„Das ist faszinierend“, sagt Fränzl, „denn so können wir kontrollieren, wie sich Objekte und Flüssigkeiten auf der Nanoskala bewegen, ohne die gesamte Flüssigkeit in den Kanälen zu bewegen.“ Ähnliche Ansätze werden bereits in einem Projekt des Sonderforschungsbereichs Transregio 102 der Universität Halle-Wittenberg und der Universität Leipzig genutzt. Die Wissenschaftler erforschen damit die Bildung von Proteinaggregaten, die an der Entstehung von neurodegenerativen Erkrankungen beteiligt sind.
Beide Forscher wollen nun die lasergesteuerte Thermofluidik mit Techniken des maschinellen Lernens kombinieren. Das könnte die Basis sein, um automatisierte intelligente Nanofabriken zu erstellen oder programmierte Materialmanipulation und Sensorik zu schaffen.
Thermofluidik im Dienst des Lab-on-chip
Die Thermofluidik könnte helfen, neue Technologien und Lösungen zu entwickeln, die Physik, Chemie, Biochemie und Künstliche Intelligenz in Mikroumgebungen verbinden – bis hin zum Lab-on-chip.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Prof. Dr. Frank Cichos
Molekulare Nanophotonik
Peter-Debye-Institut für Physik der weichen Materie
Universität Leipzig
E-Mail: cichos@physik.uni-leipzig.de
URL: https://home.uni-leipzig.de/~physik/sites/mona/people/
