Wirbeln wie ein Pantoffeltier

Ein “Pelz” aus hin und her schlagenden Wimpern treibt Pantoffeltierchen mit beachtlicher Geschwindigkeit durch ihre mikroskopische Welt. Dieses Prinzip lässt sich auch technisch nutzen, belegen Versuche niederländischer Forscher. Mit künstlichen Wimpern konnten sie Flüssigkeiten in einem winzigen Kanal nicht nur vorantreiben, sondern auch vermischen.

Auch der Einzeller Tetrahymena thermophila, ein naher Verwandter des Pantoffeltierchens, trägt einen dichten “Pelz” aus Wimpern. Bild: Eisen JA et al., PLoS Biol 4(9): e286

Der künstliche Wimpernpelz könnte sich vor allem in kleinsten chemischen Analysegeräten nützlich machen, schreiben die Forscher um Jaap den Toonder von den Philips-Forschungslaboratorien und der Technischen Universität Eindhoven im Fachblatt “Lab on a Chip”. Die Flüssigkeitskanäle in solchen Miniatur-Laboratorien seien so schmal, dass man darin nicht ohne weiteres Turbulenzen erzeugen könne. Gleichzeitig seien sie aber auch zu groß, als dass man das Vermischen der Reagenzien der Diffusion überlassen könne.

Den Toonder und seine Kollegen setzten nun auf die evolutionäre Erfahrung des Pantoffeltierchens. Die Forscher erzeugten einen künstlichen Wimpernpelz aus einige Hunderstel Millimeter kleinen Polyimid-Auslegern auf einer Glasplatte. Die Unterseite der Ausleger war mit Chrom beschichtet. Wurde nun ein elektrisches Potenzial an eine Elektrode in der Glasplatte angelegt, krümmten sich die Ausleger blitzartig von der Platte weg. Nach Abschalten des Potenzials federten sie relativ langsam wieder in die Ausgangsstellung zurück.

Diese zeitlich asymmetrische Bewegung reicht aus, um dickflüssiges Silikonöl in einem 1 Millimeter feinen Kanal in zügige Bewegung zu versetzen, berichten die Forscher. Die Durchmischung erzielten sie dagegen, indem sie die künstlichen Wimpern so in dem Kanal anordneten, dass diese bündelweise mal zur einen, mal zur anderen Kanalwand schlugen. Die resultierenden Wirbel führten zur raschen Vermischung zweier unterschiedlich gefärbter Ölströme, die sonst einträchtig nebeneinander durch den Kanal geflossen wären.

Bisherige Ansätze für Mischvorrichtungen arbeiten beispielsweise mit Vorsprüngen und Rillen in der Kanalwand oder mit winzigen Magnetrührern. Verglichen damit, sei die Herstellung der künstlichen Wimpern aufwändig und teuer, räumen den Toonder und Kollegen ein. Gleichzeitig sei die Stärke des Wimpernschlags fein steuerbar. Und indem man lediglich die geometrische Anordnung der Wimpern variiere, ließen sich die unterschiedlichsten Effekte in der Flüssigkeit erzielen.

Forschung: Jaap den Toonder, Femke Bos und Patrick Anderson, Philips Research Laboratories, Eindhoven, und Materials Technology Group, Technische Universiteit Eindhoven; und andere

Veröffentlichung Lab on a Chip, DOI 10.1039/b717681c

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