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Mikrofluidik: Minipumpen arbeiten nur mit Schall

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Bei Mikrofluidik-Anwendungen werden chemische Substanzen in winzigen Kanälen gemischt, getrennt oder zu Reaktionskammern transportiert. Ziel ist es beispielsweise, mit einem nur scheckkartengroßen Sensor im Kompaktformat medizinische Diagnosen oder DNA-Analysen an minimalen Stoffmengen zu ermöglichen. Für das Problem, wie die Reagenzien dazu auf dem "Lab-on-a-chip" hin- und herbewegt werden, haben Forscher um Mark Burns von der University of Michigan in Ann Arbor jetzt eine unkonventionelle Lösung gefunden: Statt mit störanfälligen mechanischen Pumpen treiben sie die Flüssigkeiten mit der Kraft des Schalls an.

Dazu platzierten sie am Ende eines Kanals eine Kammer, die auf Grund ihrer Größe eine ausgewählte Resonanzfrequenz aufweist. Beschallt nun ein Lautsprecher die Apparatur in dieser Tonhöhe, ändern sich die Druckverhältnisse im Röhrchen und die Flüssigkeit wird nach vorne gepresst. Über die Lautstärke stellten die Forscher den Druck im Röhrchen ein, über die Dauer des Klangs bestimmten sie, wie lange eine "Akustikpumpe" ihre Arbeit verrichten sollte.

Das Konzept kann auf eine praktisch beliebig große Anzahl von Kanälen erweitert werden: Wenn jeder davon an eine Kammer mit eigener Resonanzfrequenz angeschlossen ist, lässt sich mit einer Melodie der zeitliche Ablauf der Pumpvorgänge steuern. Ein Akkord aus mehreren Tönen setzt mehrere davon gleichzeitig in Gang. Trotzdem genüge für sämtliche Operationen ein einziges Eingabegerät, so Burns und Kollegen: der Lautsprecher.

Zu Testzwecken entwickelten die Wissenschaftler ein Vier-Kanal-System, an dem sie die Tauglichkeit der Methode für wichtige Grundoperationen wie Vereinigung, Aufspaltung und Transport von Flüssigkeitsmengen demonstrierten. Zum Einsatz kamen Tonhöhen von 404 bis 654 Hertz, die auch im Bereich der von herkömmlichen Musikinstrumenten erzeugten Klänge liegen.

Mit einer Kanaldurchmesser im Bereich von einem Millimeter ist der Testchip allerdings noch relativ groß im Vergleich zu den meisten anderen Mikrofluidikanwendungen. Die nächste Generation kleinerer Chips müsse mehr akustische Energie in die Kanäle übertragen, um die dann höhere Dämpfung zu überwinden, erklärt Koautor Sean Langelier, ebenfalls von der University of Michigan. "Wir planen, piezoelektrische Bauteile zu nutzen, mit denen wir eine Membran direkt auf dem Chip vibrieren lassen."

Viele dieser Anwendungen machen sich zu Nutze, dass sich Flüssigkeiten im Mikrobreich teilweise völlig anders verhalten, als im Großmaßstab. Neben der einfachen Handhabbarkeit der Chips zählt dieses Phänomen zu den großen Vorteilen der Technologie. (jd)
30. Woche 2009

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 30. Woche 2009

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  • Quellen
Langelier, S. et al.: Acoustically driven programmable liquid motion using resonance cavities. In: Proceedings of the National Academy of Sciences 10.1073/pnas.0900043106, 2009.

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