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Angewandte Physik

Auf der Dauerwelle schweben

Akustische Levitation

Dinge schweben zu lassen ist eine Fähigkeit, die außer Zauberkünstlern auch praktisch denkende Menschen der realen Welt schätzen. Damit lassen sich nicht nur Bedingungen simulieren, wie sie sonst nur im Weltall herrschen. Es hilft auch dabei, möglichst reine Produkte herzustellen, wenn man chemische Reaktionen oder auch biologische Prozesse weitestgehend ohne Kontakt zu Reagenzröhrchen oder anderem Material ablaufen lässt.

Ein Ansatz, der dies in Kleinform möglich macht, ist die so genannte akustische Levitation, bei der Ultraschallwellen kleine Tropfen oder Partikel zum Schweben bringen. Forscher um Dimos Poulikakos von der Eidgenössischen Hochschule Zürich können diese Ultraschallwellen nun so modulieren, dass sich Schwebendes auch zielgerichtet manövrieren lässt.

Akustische Levitation
Akustische Levitation | Akustische Levitatoren lassen mit Hilfe von Ultraschallwellen kleine Tropfen und Partikel schweben.

Akustische Levitatoren heißen die Geräte, die solche kleinen Substanzmengen in Schwerelosigkeit versetzen. Die Apparate erzeugen zwischen einer akustischen Quelle und einem gegenüberliegenden Reflektor ein so genanntes stehendes Ultraschallfeld. In dieser konstanten Dauerschallwelle bilden sich Knotenpunkte, an denen auf Grund der Druckverhältnisse leichte Gegenstände in einer schwebenden Position verharren. Poulikakos und seine Kollegen entwickelten nun einen Levitator, der Substanzen nicht nur in der Luft fixiert, sondern auch bewegt. Fünf benachbarte Schall erzeugende Einheiten bieten hier mehr Knotenpunkte als nur eine Einheit, so dass Materialien im erzeugten Schallfeld präzise von Knoten zu Knoten gleiten können. Die Wissenschaftler konnten auf diese Weise Tropfen unterschiedlicher Stoffe aufeinander zubewegen und vermischen.

In Experimenten manipulierte die Arbeitsgruppe bereits erfolgreich schwebende Zellkulturen, löste Instantkaffee in Wasser oder umschloss Kunststoffkrümel mit Wassertropfen. Bei diesen Tests wurden Flüssigkeitsmengen von maximal zehn Mikrolitern, also einem Hundertstel Milliliter, bewegt. Für den praktischen Einsatz zum Beispiel in der Pharmazeutikaproduktion befindet sich die Technik noch zu sehr in den Kinderschuhen. Die Forscher wollen daher in weiterführenden Studien das Verfahren verbessern und die akustische Levitation um magnetische, elektrostatische oder auch optische Kräfte ergänzen, um größere Mengen noch präziser bewegen zu können.

© Dimos Poulikakos, ETH Zurich/PNAS
Reaktion in der Schwebe
Hier bewegen die Forscher mit Hilfe ihres Levitators ein Bröckchen Natrium auf einen Wassertropfen zu. Die heftige Reaktion findet vollständig ohne Kontakt zur Begrenzung der Kammer statt.
29. KW 2013

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 29. KW 2013

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