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Mikrofluidik: Nano-Pumpe aus Glas arbeitet erfolgreich

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Nanomaschinen zu bauen ist schwer – umso mehr, wenn mehrere Materialien mit unterschiedlichen Eigenschaften zu dreidimensionalen Strukturen zusammengesetzt werden müssen, oft auf wenige Nanometer genau. Einfacher wäre es, solche Konstrukte aus einem einzigen Werkstoff herzustellen. Dank eines speziellen elektrischen Effekts ist es jetzt US-amerikanischen und koreanischen Forschern gelungen, allein aus Glas eine wenige Mikrometer große Elektrode herzustellen, die eine elektroosmotische Pumpe für mikrofluidische Anwendungen antreibt. Dabei übt ein elektrisches Feld eine Kraft auf Ionen an der Wand eines flüssigkeitsgefüllten Kanals aus und treibt so die Flüssigkeit voran.

Da Glas ein Isolator ist, mussten sich die Forscher um Alan Hunt von der University of Michigan in Ann Arbor ein Phänomen namens Spannungsdurchschlag zunutze machen. Dabei werden unter hohen Spannungen auch isolierende Materialien wie Glas elektrisch leitend. Wegen der geringen Dimensionen der verwendeten Bauteile reichen hier jedoch bereits wenige Volt Spannung aus.

Die Pumpe selbst besteht aus einem flüssigkeitsgefüllten Kanal, der als Elektrode fungiert und durch eine nur wenige Dutzend Nanometer starke Glaswand vom zweiten Kanal getrennt ist, in dem die Flüssigkeit fließt. Die beiden Kanäle wurden mit Hilfe eines Femtosekunden-Lasers in den Glasblock geschnitten. Dessen ultrakurze Lichtpulse können auf einen beliebigen Punkt im Raum fokussiert werden, um dort kleinste Materialmengen zu verdampfen. Auf diese Weise modellieren die Forscher aus transparenten Materialien wie Glas oder Kunststoff dreidimensionale Strukturen im Nanomaßstab, so zum Beispiel die nur 600 Nanometer breiten Kanäle der Pumpe.

Zwischen den beiden Flüssigkeitskanälen liegt eine Spannung an, und der Pumpenkanal ist so geformt, dass drei seiner Arme über eine kurze Strecke parallel zur Richtung der angelegten Spannung liegen. Dadurch kann, sobald die Spannung zwischen den Elektroden groß genug ist und die feine Glasmembran zwischen den Kanälen elektrisch leitend wird, der elektroosmotische Effekt die Flüssigkeit durch die feinen Gänge pumpen.

Durch Anlegen eines elektrischen Stroms konnten die Forscher so Fließraten von etwa einem Millionstel Nanoliter pro Sekunde gezielt steuern. Wegen ihres einfachen Aufbaus und ihrer unkomplizierten Herstellung kann die Pumpe sehr einfach in bereits bestehende nanofluidische Anwendungen wie zum Beispiel ein Lab-on-a-Chip integriert werden. (lf)
20. KW. 2010

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum - Die Woche, 20. KW. 2010

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  • Quellen
Hunt, A. et al.: Liquid glass electrodes for nanofluidics. In: Nature Nanotechnology 10.1038/nnano.2010.81, 2010.

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