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Elektrophorese: Flüssigkristalle bewegen Partikel aller Art

Glaskügelchen im FlüssigkristallLaden...
Gibt man winzige Partikel in Wasser und legt ein elektrisches Feld an, bewegen sich geladene oder asymmetrische Teilchen in Richtung des Feldes. Der Einsatz eines Flüssigkristalls als Trägerflüssigkeit erweitert nun das Repertoire der transportablen Partikel. Damit wären für die als Elektrophorese bekannte Technik zahlreiche neue Anwendungen denkbar.

Oleg Lavrentovich von der Kent State University in Ohio und seine Kollegen verwendeten in ihren Experimenten Flüssigkristalle, in denen stäbchenförmige Moleküle weit gehend parallel zueinander ausgerichtet sind. Sie bilden eine Zustandsform der Materie, die zwischen ungeordneter Flüssigkeit und geordnetem Kristall liegt. Die Forscher gaben dann mikrometergroße Glas- und Goldkugeln in das Medium und bestimmten Wandergeschwindigkeit und -richtung bei verschiedenen elektrischen Spannungen. Während die Partikelgeschwindigkeit im Fall einer isotropen Trägerflüssigkeit – wie beispielsweise Wasser – direkt proportional zur angelegten Feldstärke ist, läuft die Elektrophorese im Flüssigkristall stark nichtlinear ab.

Partikel im FlüssigkristallLaden...
Partikel im Flüssigkristall | Beliebige Partikel, etwa mikrometergroße Glaskugeln, verzerren die molekulare Ordnung in einem Flüssigkristall. Diese Verzerrungen ermöglichen es letztlich, die Teilchen in einem angelegten elektrischen Feld fortzubewegen.
Durch die nichtlinearen Effekte können Partikel beliebiger Ladung – eingeschlossen elektrisch neutrale – und Form bewegt werden, berichten die Wissenschaftler. Möglich würde dies durch Verzerrungen in der molekularen Ordnung des Flüssigkristalls nahe den Teilchen. In isotropen Flüssigkeiten müssen die Partikel dagegen entweder elektrisch geladen oder aber asymmetrisch sein, um transportiert zu werden.

Zudem funktioniere das Verfahren sowohl mit Gleich- als auch mit Wechselstrom. Bisher nutzte man hauptsächlich Gleichstrom für die Elektrophorese, was teils zu unerwünschten elektrochemischen Reaktionen führte. Darüber hinaus könnten die Partikel im Flüssigkristall praktisch in jede Richtung relativ zum angelegten Feld bewegt werden, so Lavrentovich und sein Team.

Bisher wird die Elektrophorese vor allem als Analyseverfahren in der Biologie und Medizin eingesetzt, beispielsweise zur Auftrennung von DNA-Fragmenten. Durch den Einsatz von Flüssigkristallen könnten sich allerdings neue Anwendungsgebiete eröffnen, meinen die Forscher. Etwa in mikrofluidischen Strukturen, Mikromotoren, elektrophoretischen Displays und überall sonst, wo winzige Partikel präzise fortbewegt, vermischt oder sortiert werden sollen. (mp)

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  • Quellen
Lavrentovich, O. et al.: Nonlinear electrophoresis of dielectric and metal spheres in a nematic liquid crystal. In: Nature 467, S. 947–950, 2010.

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