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Gelenkte Flüsse in Röhren

Transport durch Kapillare elektrisch gesteuert

Von Rainer Scharf

Bei vielen technischen und wissenschaftlichen Verfahren müssen winzige Flüssigkeitsmengen kontrolliert bewegt werden, zum Beispiel beim Tintenstrahldruck. Bei der systematischen Analyse und Synthese chemischer oder biochemischer Substanzen möchte man Tausende von Flüssigkeitsproben gleichzeitig verarbeiten. Dazu muß man die Flüssigkeiten durch einen komplexen Parcours von haarfeinen Röhren strömen lassen. Es ist aber außerordentlich aufwendig, die Flüssigkeitsströme mit mikroskopisch kleinen Pumpen, Ventilen und Klappen zu steuern. Niederländische Wissenschaftler haben nun ein einfacheres Verfahren entwickelt, bei dem die Flüssigkeiten in Kapillaren durch elektrische Kräfte gezielt in Bewegung gesetzt werden.

Die Gruppe um Menno Prins von den Philips-Forschungslaboratorien in Eindhoven nutzte für die Steuerung von Flüssigkeiten den sogenannten elektrokapillaren Druck ("Science", Bd. 291, S. 277). Eine benetzende Flüssigkeit steigt in einer haarfeinen Röhre so weit nach oben, bis sich Schwerkraft und Anziehungskraft zwischen Flüssigkeit und Röhrenwand die Waage halten. Wenn die Flüssigkeit das Innere der Kapillare nicht benetzt, wie dies bei Wasser und einer eingefetteten Oberfläche der Fall ist, kann sie nicht von selbst in die Kapillare eindringen. Wenn man aber eine elektrisch leitende Flüssigkeit wie salzhaltiges Wasser benutzt, läßt sie sich durch elektrische Kräfte in die Kapillare hineinziehen und steigt in ihr hoch.

Um dies zu demonstrieren, haben die niederländischen Wissenschaftler die Innenwand von 0,3 Millimeter weiten Kapillaren hauchdünn mit Aluminium beschichtet. Anschließend wurde die Aluminiumschicht mit einem Isolator bedeckt und auf diesen eine wasserabweisende Schicht aufgebracht. Das untere Ende der Kapillare wurde in salzhaltiges Wasser getaucht. Als die Forscher eine elektrische Spannung zwischen dem Wasser und der Aluminiumbeschichtung anlegten, stieg das Wasser bis zu einem Zentimeter in der Kapillare hoch. Dort, wo der Wasserspiegel an die Innenwand der Kapillare grenzte, hatten sich im Wasser und in der Aluminiumschicht Teilchen mit entgegengesetzten elektrischen Ladungen angesammelt. Diese Ladungen zogen einander an, und dadurch wurde der Wasserspiegel hochgehoben. Das Wasser kletterte übrigens auch dann in der Kapillare hoch, wenn die angelegte elektrische Spannung umgekehrt gepolt war. Durch An- und Abschalten der Spannung konnte die Flüssigkeitssäule auf und ab bewegt werden. Dieser Vorgang ließ sich mehr als 200000 Mal wiederholen.

Die Wissenschaftler haben bienenwabenförmige Strukturen aus etwa 4000 solcher einzeln ansteuerbaren Mikrokanälen hergestellt. Wenn sie an die Röhren abwechselnd Spannung anlegten, konnten sie die Flüssigkeit von einer Kapillare in eine benachbarte pumpen. Dabei wurden Strömungsgeschwindigkeiten bis zu zwölf Zentimeter pro Sekunde gemessen. Durch eine programmierte Abfolge elektrischer Spannungen könnten auf diese Weise mikroskopische Flüssigkeitsmengen und in ihnen gelöste Partikeln oder Kapseln durch komplizierte Röhrensysteme geleitet werden. Die Wissenschaftler hoffen, daß ihr Verfahren künftig bei der chemischen und biochemischen Mikroanalyse und Mikrosynthese eine wichtige Rolle spielen wird. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 31.01.2001, Nr. 26 / Seite N3
 

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