Blitzschnell durchs Röhrchen

News: Blitzschnell durchs Röhrchen

Die Miniaturisierung schreitet voran und bringt bisweilen erhebliche Probleme mit sich: Physikalische Gesetze gelten auf einmal nicht mehr, und andere Zusammenhänge werden wichtig, die im Großen nebensächlich waren. So passiert es beispielsweise, dass Flüssigkeiten in dünnen Röhrchen wie von Geisterhand entgegen der Schwerkraft aufsteigen. Dieser Effekt, der Pflanzen das Überleben sichert, ist in der Technik nicht immer erwünscht. Nun haben Physiker einen Weg gefunden, die Bewegung der Flüssigkeit in der Kapillare elektrisch zu steuern.

Die Kapillarität ist auf den ersten Blick schon ein erstaunliches Phänomen: Taucht man das Ende eines Strohhalms in Wasser, so steigt dieses bis zu einer bestimmten Höhe auf, ohne dass jemand am anderen Ende saugen müsste. Der Grund für den Effekt liegt in einem Kräftespiel zwischen Adhäsion und Kohäsion. Die Adhäsion beschreibt die Wechselwirkung von Molekülen der Flüssigkeit mit denen der Wand, die Kohäsion ist eine Kraft die nur zwischen den Flüssigkeitsmolekülen wirkt. Je nach Beitrag der einzelnen Kräfte können sie eine Flüssigkeit in einen Strohhalm hereinziehen oder auch herausdrücken. Gelänge es nun, die Stärke dieser Kräfte zu manipulieren, so ließe sich eine Flüssigkeit beliebig durch ein Röhrchen manövrieren.

Genau das ist Menno Prins und seinen Kollegen von Philips Research in Eindhoven gelungen. Sie stellten eine wabenartige Struktur aus 4000, jeweils 350 Mikrometer-dicken Röhrchen her, in deren Wand eine Elektrode eingelassen war. Die Innenseite der Röhrchen beschichteten sie außerdem wasserabweisend – hydrophob. Die Kapillaren waren mit zwei nicht mischbaren Flüssigkeiten gefüllt: einer wässrigen Lösung, die elektrisch leitete, und einem nicht polaren Öl, einem Isolator. Letzteres wäre aber auch durch ein Gas ersetzbar. Die leitende Flüssigkeit war außerdem mit der negativen Elektrode verbunden (Science vom 12. Januar).

Legten die Wissenschaftler zwischen den Elektroden eine elektrische Spannung an, so zogen die Ladungen in der Röhrenwand die leitende Flüssigkeit an und reduzierten damit die Energie ihrer Grenzfläche. Dadurch schoss die Flüssigkeitssäule mit zwölf Zentimetern pro Sekunde durch die Kapillare. Das ist ungefähr das hundertfache von dem, was sich sonst in derartigen Kapillaren erreichen lässt.

Die Wissenschaftler meinen, dass sich ihre Technik unter anderem für Tintenstrahldrucker, für chemische Synthese auf kleinstem Maßstab, für optische Filter und für neuartige Bildschirme eignen würde. Der große Vorteil des Verfahrens ist, dass es sehr wenig Energie benötigt und ohne bewegliche Teile auskommt, und damit recht robust ist.

Siehe auch

Spektrum Ticker vom 29.1.1999
"Der kleinste Federhalter der Welt"
Spektrum Ticker vom 17.2.1998
"Pumpen ohne bewegliche Teile"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)