So steuern Sie feste Objekte in Flüssigkeiten - in einem Tropfen Flüssigkeit

Nanotechnologie

Redaktion der Website für technologische Innovationen - 06.10.2025

Allgemeines Diagramm der Spininduktion in Tröpfchen, die Wirbel erzeugt, die die Partikel konzentrieren. [Bild: Chuyi Chen et al. - 10.1126/sciadv.adx0269]

Verdünnung in einem Tropfen

Saft oder Schokoladenpulver in Wasser oder Milch aufzulösen, ist ganz einfach: Man rührt einfach mit einem Löffel um. Viel komplizierter wird es jedoch, wenn man Dinge in so kleinen Flüssigkeitstropfen vermischen möchte.

Normalerweise müssen wir das zu Hause nicht tun – Dinge in einem Tropfen mischen – aber bei Laborarbeiten ist es eine wesentliche Aufgabe, beispielsweise bei der Entwicklung neuer Medikamente oder der Durchführung biomedizinischer Tests.

Chuyi Chen und Kollegen an der University of North Carolina haben nun ein Gerät entwickelt, das genau das kann: Es erzeugt Wirbel im Inneren von Flüssigkeitströpfchen, die dann in der Flüssigkeit schwebende feste Partikel konzentrieren oder verdünnen können.

„Indem wir Ultraschallwellen auf der Oberfläche eines piezoelektrischen Substrats erzeugen, können wir einen darauf liegenden Flüssigkeitstropfen in Rotation versetzen“, sagte Chen. „Die Schwingung der Ultraschallwellen drückt die Flüssigkeit im Tropfen und lässt ihn kreisförmig fließen. Die Oberflächenspannung des Tropfens verhindert jedoch, dass er sich zu einer flachen Schicht ausbreitet.“

Diese Kombination aus Kräften der Ultraschallwellen, des rotierenden Tropfens und der sich im Tropfen bewegenden Flüssigkeit führt dazu, dass sich die suspendierten Partikel in einem spiralförmigen Muster bewegen, im Wesentlichen spiralförmig durch den Tropfen, bis sie sich an einem zentralen Punkt sammeln – der Tropfen selbst bewegt sich nicht.

„Dies ist eine neue Methode, feste Partikel in einer flüssigen Lösung zu konzentrieren, was äußerst nützlich sein könnte“, sagte Chen. „So könnte beispielsweise die Konzentration des Zellinhalts es Sensoren erleichtern, für biomedizinische Tests relevante Materialien zu erkennen.“

Übersicht über das durch den akustofluidischen Effekt angetriebene Tröpfchensystem und die Umlaufbahnen suspendierter Partikel. [Bild: Chuyi Chen et al. - 10.1126/sciadv.adx0269]

Mehrere Mechanismen

Um Technologien zu entwickeln, die sich dieses ungewöhnliche Phänomen zunutze machen, mussten die Forscher zunächst untersuchen, was vor sich ging, um die genaue Ursache der Bewegung zu verstehen.

Sie entdeckten, dass ein wesentlicher Aspekt darin besteht, dass es möglich ist, die Bewegung der Partikel innerhalb des Tröpfchens durch die Manipulation mehrerer Parameter zu beeinflussen: der Oberflächenspannung der Flüssigkeit, dem Durchmesser des Tröpfchens und der Amplitude der Ultraschallwellen.

„Dadurch verfügen wir über mehrere Mechanismen, um die Rotation des Systems und das Verhalten der Partikel anzupassen“, sagte Chen.

Neben ihrem potenziellen Nutzen in der Biomedizin könnte die neue Technik auch zur Untersuchung verschiedener Forschungsfragen zur Physik rotierender Systeme eingesetzt werden. „Wir können beispielsweise tornadoartige Wirbelströmungen erzeugen oder den Coriolis-induzierten Transport im Kleinen untersuchen“, sagte Chen. „Dadurch können wir physikalische Fragen kompakt, leicht beobachtbar und im Vergleich zu groß angelegten Techniken relativ kostengünstig untersuchen.“

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