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Mikrotechnik: Lasergetriebene Wasserpistole

Fran­zö­si­schen For­schern ist es ge­lun­gen, mit Licht auf be­ste­chend ein­fa­che Wei­se haar­dün­ne Flüs­sig­keits­strah­len zu er­zeu­gen.


Ob im Schreibkopf eines Tintenstrahldruckers, als "Wasserskalpell" bei Operationen oder als robotergesteuerte Füllstrahlen für Gen-Chips in Biolabors: Hauchdünne Flüssigkeitsstrahlen finden vielerlei Anwendung in Forschung und Technik. Allerdings sind sie relativ schwierig zu erzeugen. Druckluftdüsen etwa werfen bei Durchmessern von nur wenigen tausendstel Millimetern Probleme auf, da sich die Strahlen beim Passieren der kleinen Öffnungen durch Beugungsprozesse verbreitern und das Strahlprofil leicht durch Turbulenzen gestört wird. Zudem lässt sich die Strahlrichtung nicht ohne mechanische Bewegungen der Düse steuern.

Alexis Casner und Jean-Pierre Del-ville von der Universität Bordeaux haben nun eine überraschend einfache Alternative entwickelt (Physical Review Letters, Bd. 90, S. 144503-1). Man nehme zwei nicht mischbare Flüssigkeiten unterschiedlicher Dichte und gieße sie in ein Gefäß. Dann schwimmt die leichtere auf der schwereren. Wenn nun ein Laserstrahl von oben auf die horizontale Grenzfläche zwischen beiden trifft, übt er einen Druck auf sie aus. Dadurch verbiegt sich die Trennschicht und bildet eine Ausbuchtung nach unten. Diese Beule wächst mit steigender Intensität des Laserstrahls. Schließlich wird sie zum rasch vorstoßenden Finger, aus dem sich ein dünner Strahl entwickelt, mit dem die obere Flüssigkeit die untere durchdringt. Dessen Richtung lässt sich über den Einschusswinkel des Laserstrahls frei steuern.

Das alles klingt so einfach, dass man sich unwillkürlich fragt, wieso nicht schon früher jemand auf die Idee gekommen ist. Schließlich investieren Universitäten und Industrielabors jährlich Millionen Euros in die Erforschung des Verhaltens von Flüssigkeiten auf kleinem Raum, nicht zuletzt zur Entwicklung neuer Darreichungsformen für Medikamente.

Doch der Teufel steckt wie so oft im Detail. Ein einfacher Laserpointer,Wasser und Speiseöl reichen leider nicht aus, um Mikrostrahlen durch ein Glas sausen zu lassen. Der Spielverderber heißt Oberflächenspannung. Jeder, der schon einmal einen Bauchplatscher im Schwimmbad vollführt hat, kennt sie. Eine analoge Kraft wirkt auch an der Trennschicht zwischen zwei Flüssigkeiten, und ihre Stärke ist proportional zum Dichteunterschied. Gegen diese Grenzflächenspannung kommt der Strahlungsdruck selbst der intensivsten kommerziell erhältlichen Laser normalerweise nicht an.

Ausgefallene Rezeptur

Das eigentliche Kunststück der französischen Forscher bestand deshalb darin, zwei Flüssigkeiten zu finden, deren Dichten sich nur minimal unterscheiden. Dass dies keineswegs so einfach ist, wie es sich anhört, zeigt die ziemlich ausgefallene Rezeptur, auf die sie schließlich verfielen: Sie versetzten das organische Lösungsmittel Toluol mit Wasser, Alkohol und Seifenlauge. Dabei entstand allerdings keine homogene Flüssigkeit. Da Wasser mit Toluol nicht mischbar ist, verteilte es sich darin in Form kleiner, von den Seifenmolekülen umhüllter Tröpfchen, so genannter Mizellen.

Diese ziemlich komplexe Mixtur – Chemiker sprechen von Emulsion – zeigte nun eine Besonderheit, die das Problem der Grenzflächenspannung lösen half. Wenn man sie auf mehr als 35 Grad Celsius erwärmt, trennt sie sich spontan in zwei Flüssigkeiten mit unterschiedlichen Tröpfchenkonzentrationen und damit verschiedenen Dichten auf. Diejenige mit der geringeren Anzahl von Mizellen bildet dabei die obere Schicht.

Der Clou bestand nun darin, dass sich die Grenzflächenspannung zwischen den beiden Flüssigkeiten durch die Temperatur genauestens einstellen lässt. Bei 35 Grad Celsius beträgt sie fast null – schließlich beginnt sich das Gemisch hier gerade erst aufzutrennen. Auch bei 36 Grad hat sie nur ungefähr ein Millionstel der Kraft, mit der sich die Wasseroberfläche des Schwimmbeckens der Verformung durch einen eintauchenden Körper widersetzt!

Der Rest des Experiments war relativ einfach: Die Forscher schossen einen grünen Laserstrahl von oben auf die Grenzschicht zwischen den beiden Flüssigkeiten. Während sie seine Intensität allmählich steigerten, konnten sie beobachten, wie sich eine immer tiefere Ausbuchtung bildete. Bei einer Laserleistung von etwa einem Watt wurde wie erwartet aus der Beule schließlich ein winziger Strahl, der die untere Flüssigkeit durchdrang.

Mit diesem Erfolg allein gaben sich die Forscher aber noch nicht zufrieden. Sie wollten das Verhalten ihrer Wasserpistole genauer analysieren. Dass die Stärke der Grenzflächenspannung von der Temperatur abhing, bot ihnen dazu eine relativ einfache Möglichkeit. So konnten sie mit geringem Aufwand systematisch prüfen, wie intensiv das Laserlicht unter verschiedenen Bedingungen sein muss, damit ein Mikrostrahl entsteht.

Dabei fanden sie auch die Antwort auf eine zunächst verblüffende Beobachtung: Während die Ausbeulung der Grenzschicht anfangs linear mit der Stärke des Lichtstrahls zunimmt, wächst sie irgendwann überproportional. Der Grund dafür ist, wie sich zeigte, der Brechungsindex. Diese Zahl gibt an, wie sehr sich ein Lichtstrahl in der jeweiligen Flüssigkeit gegenüber dem Vakuum verlangsamt. Da Wasser einen kleineren Brechungsindex als Toluol hat, besaß die untere, dichtere Flüssigkeit ebenfalls einen kleineren Brechwert. Damit aber war klar, dass hinter dem übermäßigen Anwachsen der Beule das wohlbekannte Phänomen der Totalreflexion stecken muss.

Ein Lichtstrahl kann nämlich nicht von einem Stoff mit relativ hohem in einen mit geringerem Brechungsindex eindringen, sobald der Winkel, unter dem er auf die Grenzfläche trifft, zu klein ist. Dann wird er komplett reflektiert. Dieses Prinzip steckt etwa hinter den Glasfaserkabeln zur Telekommunikation.

Wie Licht die Kurve kriegt

Je mehr sich nun die Beule vertieft, desto kleiner ist der Winkel, unter dem der Laserstrahl von oben auf die Grenzfläche trifft. Irgendwann kommt es so zur Totalreflexion. Der Lichtstrahl wird dann, statt in die untere Flüssigkeit einzudringen, um die Vertiefung herumgelenkt und kehrt dabei seine Richtung um. Das erhöht den Strahlungsdruck auf die Grenzschicht drastisch, sodass diese plötzlich sehr viel stärker ausgebeult wird.

Daraus ergibt sich eine zusätzliche Bedingung für die beiden Flüssigkeiten: Die dichtere muss einen kleineren Brechungsindex aufweisen als die dünnere. Der praktische Nutzen des laserbetriebenen Mikrostrahls wird daher davon abhängen, ob sich technisch einsetzbare Flüssigkeitskombinationen auffinden lassen, die sowohl diese Bedingung erfüllen als auch einen genügend kleinen Dichteunterschied haben.

Außerdem gelten weitere Einschränkungen. So kann sich der Mikrostrahl natürlich ausschließlich innerhalb der unteren Flüssigkeit bewegen und nicht frei in der Luft, was viele Anwendungen von vornherein ausschließt. In dieser Umgebung erreicht er überdies nur geringe Geschwindigkeiten und keinen hohen Impuls, sodass er sich auch nicht für Schneidzwecke eignen dürfte.

Dennoch sieht Stephen Quake vom California Institute of Technology in Pasadena eine Reihe von Einsatzmöglichkeiten. Quake beschäftigt sich seit langem mit der Herstellung von winzig kleinen integrierten Flüssigkeitschips, die ähnlich wie ihre elektronischen Gegenstücke Informationen verarbeiten können. Die Mikrostrahlen der französischen Wissenschaftler würden einen sehr eleganten Antrieb für solche "Schaltkreise" abgeben.

Vielleicht eignen sie sich aber auch als flüssige Lichtleiter. Das Laserlicht ist nämlich auf Grund der Totalreflexion im Mikrostrahl gefangen und folgt diesem durch die umgebende Flüssigkeit. Die Perspektiven sind faszinierend: Laserstrahlen könnten ihre eigenen Lichtleiter erzeugen und auf diese Weise beispielsweise mit Flüssigkeitschips integriert werden.

Auch eine andere viel versprechende Anwendung ist denkbar. Bei genauerem Hinsehen zerfällt der Flüssigkeitsstrahl nämlich nach einer Länge von ungefähr einem halben Millimeter in kleine Tropfen. Deren Größe und Abstand lässt sich sehr einfach über die Intensität und den Durchmesser des Laserstrahls steuern. Dies würde die Herstellung von Emulsionen aus kleinen Flüssigkeitstropfen erleichtern, die etwa medizinische Wirkstoffe enthalten könnten. Was auf den ersten Blick eher als Spielerei anmutet – Stichwort: Hightech-Wasserpistole –, könnte also doch einen beachtlichen praktischen Nutzwert haben.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 10 / 2003, Seite 16
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
10 / 2003

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 10 / 2003

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