News: Gegen den Trend sieben
Unordnung zu schaffen, ist einfach. Aber in Wasser gelöste Teilchen einzusammeln, ohne das Ganze durch einen Filter zu gießen, ist schon schwieriger. Wie es geht, haben deutsche Wissenschaftler gezeigt.
© (Ausschnitt)
Den Trick kennt jeder Heimwerker: Will man eine Schraube in die Wand drehen und hat keine Lust, nach jeder halben Umdrehung den Griff des Werkzeugs loszulassen und neu zu fassen, nimmt man eine "Knarre". Der rustikal klingende Name stammt vermutlich von dem Geräusch, das entsteht, wenn man die Schraube rechts herum gedreht hat, soweit das Handgelenk reicht, und dann – ohne Loslassen – wieder zum Schwung holen nach links dreht. Dabei rattert es lautstark, weil im Inneren des Werkzeugs eine Metallzunge über eine gezahnte Schiene rutscht.
Raffinierterweise sind die Zähne der Schiene aber keine gleichschenkligen Dreiecke, sondern asymmetrisch geformt: Ein Schenkel ist kurz und fällt steil ab, während der andere eine lang gstreckte, sanfte Steigung beschreibt. Befindet sich die Metallzunge in der Senke zwischen zwei Zähnen, ist der Aufstieg in die eine Richtung darum relativ mühelos zu bewältigen, während das Bezwingen der steilen Flanke eine beträchtliche Menge Energie benötigen würde. Auf diese Weise dreht sich mal die Spitze des Schraubenziehers mit – nämlich, wenn die Metallzunge sich an der steilen Seite des Zahns festbeißt – und mal nicht – weil die Zunge über die sanfte Flanke gleitet –, und aus einer symmetrischen Drehbewegung der Hand wird eine gerichtete Schraubendrehung.
Was hat dieser so genannte Ratschen-Mechanismus nun mit Membranen und gelösten Teilchen zu tun? Es ist die asymmetrische Form, die beides miteinander verbindet. Gewöhnliche Siebe und Membranen haben Poren, die im Wesentlichen zylindrisch sind und darum keinen Unterschied machen zwischen links und rechts, bzw. oben und unten. Die beiden Physiker Sven Matthias und Frank Müller vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle ätzten dagegen mit photoelektrochemischen Verfahren Löcher in eine Siliciumscheibe, deren Form an die Zähne einer Knarre erinnert: eine Reihe von hintereinander liegenden Hohlräumen, die sich auf einer Seite schnell verjüngten und auf der anderen nur langsam enger wurden.
Mit dieser Membran trennten die Forscher zwei Bassins, in denen sich stark verdünnte Lösungen von fluoreszierenden Kügelchen mit genau festgelegten Durchmessern von 0,1 bis 1 Mikrometer befanden. Dann setzten sie das untere Becken unter einen leichten Druck, der mit einer Frequenz von 40 Hertz mal größer und dann wieder kleiner als im oberen Bassin war. Im zeitlichen Mittel gab es so weder einen Druckunterschied zwischen den Becken, noch floss netto Wasser in eine Richtung. Lediglich in den Poren der Membran wurde das Wasser von den Druckschwankungen ständig hin und her bewegt.
Über die Leuchtintensität der Lösungen verfolgten die Wissenschaftler, wie die Teilchen in den Becken verteilt waren. Bevor sie den oszillierenden Druck einschalteten, waren die Konzentrationen oben und unten gleich groß. Erst der Druck änderte das Bild. Langsam nahm die Teilchendichte im oberen Becken auf Kosten des unteren Basins zu, obwohl das Wasser sich effektiv nicht bewegt hatte. Waren die Druckschwankungen ausgeschaltet, diffundierten die Kügelchen wieder zurück und verteilten sich gleichmäßig.
Wie im Beispiel mit der Knarre ist auch in diesem Experiment die asymmetrische Form der Poren ausschlaggebend für die gerichtete Bewegung, meinen die Forscher. Durch den ungleichmäßig engeren und weiteren Querschnitt der Poren schwingt das Wasser in den verschiedenen Regionen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Dadurch wirken verschieden starke Kräfte auf die Teilchen, die durch Brownsche Zufallsbewegungen von einer Zone in die andere wechseln können. Für sie ist der Weg durch die Pore deshalb in eine Richtung wesentlich einfacher als entgegengesetzt – ähnlich wie für die Metallzunge bei der Knarre.
Den Forschern gelang es sogar durch vorsichtige Manipulation des Druckes, die Teilchen gezielt mal in die eine und mal in die andere Richtung zu drängen. Sie änderten gewissermaßen die erlaubte Fahrtrichtung ihrer Einbahnstraße. Wie man sich dieses Verhalten der Kügelchen auf mikroskopischer Ebene vorzustellen hat, können sie jedoch nicht erklären. Auf alle Fälle ist das Ergebnis aber in Einklang mit den theoretischen Modellen.
Die asymmetrische Membran könnte recht nutzbringend eingesetzt werden, wenn es darauf ankommt, in geringen Konzentrationen auftretende Teilchen effektiv anzureichern. Da sie mit den weit verbreiteten Methoden der Siliciumtechnik hergestellt wird, wäre es denkbar, sie als Teil eines "Labors auf dem Chip" dabei einzusetzen, Viren oder Bruchstücke von Zellen zu sammeln und einem Sensor zuzuführen. Das könnte die Empfindlichkeit zukünftiger Detektoren bedeutend erhöhen.
Raffinierterweise sind die Zähne der Schiene aber keine gleichschenkligen Dreiecke, sondern asymmetrisch geformt: Ein Schenkel ist kurz und fällt steil ab, während der andere eine lang gstreckte, sanfte Steigung beschreibt. Befindet sich die Metallzunge in der Senke zwischen zwei Zähnen, ist der Aufstieg in die eine Richtung darum relativ mühelos zu bewältigen, während das Bezwingen der steilen Flanke eine beträchtliche Menge Energie benötigen würde. Auf diese Weise dreht sich mal die Spitze des Schraubenziehers mit – nämlich, wenn die Metallzunge sich an der steilen Seite des Zahns festbeißt – und mal nicht – weil die Zunge über die sanfte Flanke gleitet –, und aus einer symmetrischen Drehbewegung der Hand wird eine gerichtete Schraubendrehung.
Was hat dieser so genannte Ratschen-Mechanismus nun mit Membranen und gelösten Teilchen zu tun? Es ist die asymmetrische Form, die beides miteinander verbindet. Gewöhnliche Siebe und Membranen haben Poren, die im Wesentlichen zylindrisch sind und darum keinen Unterschied machen zwischen links und rechts, bzw. oben und unten. Die beiden Physiker Sven Matthias und Frank Müller vom Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik in Halle ätzten dagegen mit photoelektrochemischen Verfahren Löcher in eine Siliciumscheibe, deren Form an die Zähne einer Knarre erinnert: eine Reihe von hintereinander liegenden Hohlräumen, die sich auf einer Seite schnell verjüngten und auf der anderen nur langsam enger wurden.
Mit dieser Membran trennten die Forscher zwei Bassins, in denen sich stark verdünnte Lösungen von fluoreszierenden Kügelchen mit genau festgelegten Durchmessern von 0,1 bis 1 Mikrometer befanden. Dann setzten sie das untere Becken unter einen leichten Druck, der mit einer Frequenz von 40 Hertz mal größer und dann wieder kleiner als im oberen Bassin war. Im zeitlichen Mittel gab es so weder einen Druckunterschied zwischen den Becken, noch floss netto Wasser in eine Richtung. Lediglich in den Poren der Membran wurde das Wasser von den Druckschwankungen ständig hin und her bewegt.
Über die Leuchtintensität der Lösungen verfolgten die Wissenschaftler, wie die Teilchen in den Becken verteilt waren. Bevor sie den oszillierenden Druck einschalteten, waren die Konzentrationen oben und unten gleich groß. Erst der Druck änderte das Bild. Langsam nahm die Teilchendichte im oberen Becken auf Kosten des unteren Basins zu, obwohl das Wasser sich effektiv nicht bewegt hatte. Waren die Druckschwankungen ausgeschaltet, diffundierten die Kügelchen wieder zurück und verteilten sich gleichmäßig.
Wie im Beispiel mit der Knarre ist auch in diesem Experiment die asymmetrische Form der Poren ausschlaggebend für die gerichtete Bewegung, meinen die Forscher. Durch den ungleichmäßig engeren und weiteren Querschnitt der Poren schwingt das Wasser in den verschiedenen Regionen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Dadurch wirken verschieden starke Kräfte auf die Teilchen, die durch Brownsche Zufallsbewegungen von einer Zone in die andere wechseln können. Für sie ist der Weg durch die Pore deshalb in eine Richtung wesentlich einfacher als entgegengesetzt – ähnlich wie für die Metallzunge bei der Knarre.
Den Forschern gelang es sogar durch vorsichtige Manipulation des Druckes, die Teilchen gezielt mal in die eine und mal in die andere Richtung zu drängen. Sie änderten gewissermaßen die erlaubte Fahrtrichtung ihrer Einbahnstraße. Wie man sich dieses Verhalten der Kügelchen auf mikroskopischer Ebene vorzustellen hat, können sie jedoch nicht erklären. Auf alle Fälle ist das Ergebnis aber in Einklang mit den theoretischen Modellen.
Die asymmetrische Membran könnte recht nutzbringend eingesetzt werden, wenn es darauf ankommt, in geringen Konzentrationen auftretende Teilchen effektiv anzureichern. Da sie mit den weit verbreiteten Methoden der Siliciumtechnik hergestellt wird, wäre es denkbar, sie als Teil eines "Labors auf dem Chip" dabei einzusetzen, Viren oder Bruchstücke von Zellen zu sammeln und einem Sensor zuzuführen. Das könnte die Empfindlichkeit zukünftiger Detektoren bedeutend erhöhen.
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