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Traktorstrahlen: Akustische Pinzette: Schallwellen, die zugreifen können

Ein akustischer »Fangstrahl« kann mittlerweile zentimetergroße Objekte greifen. Das macht neue medizinische Anwendungen möglich.
Traktorstrahlen: Akustische Pinzette: Schallwellen, die zugreifen können

Veröffentlicht am: 23.02.2018

Laufzeit: 0:02:27

Sprache: englisch

Seeker/DNews ist ein YouTube-Kanal mit Videos zu wissenschaftlichen Themen. Er gehört zum US-amerikanischen globalen Medien- und Unterhaltungsunternehmen Discovery Communications, das 1985 in den USA vom Discovery Channel gegründet wurde.

Hört man das Wort »Traktorstrahl«, denken zumindest Sciencefiction-Fans unweigerlich an ein Kraftfeld, mit dessen Hilfe Raumschiffe an ihrem Ort festgehalten oder präzise gesteuert werden. Die Realität im Labor sieht noch bescheidener aus. Mit Traktorstrahlen aus Licht lassen sich allenfalls mikroskopisch kleine Objekte wie etwa Zellen oder Bakterien greifen. Mit Schall ist etwas mehr möglich: Der erst wenige Monate alte Größenrekord für ein akustisch festgehaltenes Objekt liegt bei knapp zwei Zentimetern. Und selbst dabei handelt es sich um kein massives Objekt, sondern nur um eine Styroporkugel. Doch immerhin: Mit Ultraschall, also Schallwellen einer Frequenz oberhalb der menschlichen Hörgrenze, lassen sich solche Objekte tatsächlich frei schwebend fixieren, wie dieses Video aus der Reihe »Seeker« zeigt.

Was aus dem Clip nicht deutlich hervorgeht: Die neuen Rekordhalter, ein Team um Asier Marzo von der University of Bristol, konnten die bisherige Grenze von rund vier Millimeter großen Objekten nur dank einer besonderen Technik überwinden. So genannte akustische (und auch optische) Pinzetten arbeiten normalerweise mit stehenden Wellen, die das Objekt in einem Schwingungsknoten »fangen«. Das Problem: Gegenstände lassen sich auf diese Weise nur dann an einer Position im Raum stabilisieren, wenn sie ungefähr die Dimension der Wellenlänge besitzen – im Fall von Schall also sehr klein, im Fall von Licht geradezu winzig sind.

Bei der neuen akustischen Pinzette kombinierten die Forscher nun aber zwei gegenläufige »Ultraschall-Wirbel«. Sie vergleichen sie mit einem akustischen Tornado: einer wirbelförmigen Struktur rund um einen stillen Kern. In diesem Kern finden Objekte Platz, deren Abmessungen rund viermal größer als bei früheren Versuchen sind, und werden von den Innenwänden der Wirbel fest an ihrer Position gehalten. Durch geschicktes Einstellen der Stärke der beiden Wirbel lassen sich die Objekte sogar kontrolliert drehen. Bei früheren Versuchen mit akustischen Wirbelfeldern hatten unkontrollierte Rotationen häufig für Probleme gesorgt.

Akustische Pinzetten sind auch deshalb von Interesse, weil sie sogar durch Gewebe dringen. Um etwa Nierensteine oder dergleichen behandeln zu können, muss man das Organ daher nicht mehr unbedingt aufschneiden. Stattdessen können die Mediziner starke Ultraschallwellen auf die Ablagerungen fokussieren, um sie zu zerstören. Lichtstrahlen hingegen würden zum großen Teil gestreut oder absorbiert, lange bevor sie ihre therapeutische Wirkung entfalten können, und das Gewebe obendrein aufheizen.

Mittlerweile verfolgen die Forscher unterschiedlichste Ideen. Eines Tages könnte man Festkörper wie Nieren- oder Gallensteine mit einer akustischen Pinzette fixieren und sie so gezielter unter Beschuss nehmen. Denkbar ist auch der Transport von Arzneien in kleinen Kapseln bis zu ihrem Bestimmungsort im Körper. Ultraschall-Pinzetten lassen sich aber auch für neuartige Produktionstechniken nutzen, etwa um berührungsempfindliche Objekte zusammenzufügen.

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