Bewegungslos pumpen

Physik Journal – Das Mineral Klinoptilolith bildet das Herzstück einer Mikropumpe.

Seit mehr als zwei Jahrzehnten helfen Mikropumpen, winzige Gas- oder Flüssigkeitsmengen exakt zu dosieren. Anwendung finden sie z. B. in der Gaschromatographie oder beim Aufspüren von Kampfmitteln. Die meisten Pumpen arbeiten mit beweglichen Teilen, was Probleme bei der Miniaturisierung bereitet: Der relative Anteil der Reibungskräfte steigt, weil das Verhältnis zwischen Oberfläche und Volumen wächst. Naveen Gupta und Yogesh Gianchandani von der University of Michigan in Ann Arbor haben ein Pumpenprinzip ersonnen, das dieses Problem umgeht.

Die beiden Wissenschaftler nutzen das natürlich vorkommende Mineral Klinoptilolith, dessen Poren ein dichtes Netz aus Nanokanälen mit Durchmessern von etwa 0,45 nm (> 1014 Poren/cm²) bilden. Damit erreicht das Mineral Werte, die lithographisch derzeit nicht zu meistern wären.

Für ihren Demonstrator setzen sie zwei Scheiben (2,3 mm Dicke, 48 mm Durchmesser) des zu den Zeolithen gehörenden Minerals auf eine Widerstandsheizfolie und packen den Aufbau in eine thermisch isolierende PVC-Hülle. Das Gerätchen arbeitet nach dem Prinzip der Knudsen-Pumpe: Die mittlere freie Weglänge des Gases ist größer als die Gefäßabmessungen; bei Zimmertemperatur funktioniert eine solche Pumpe nur mit Kanälen, deren Durchmesser höchstens 100 nm beträgt. Aufgrund der thermischen Effusion driften die Moleküle in den Kanälen vom kühleren zum wärmeren Ende.

Die Wissenschaftler erreichen im Labor einen Gasdurchsatz von 6,6 · 10–3 cm³/(min¿·¿cm²) bei einer hineingesteckten Leistung von weniger als 300 mW/cm². Mehrstufige Knudsen-Mikropumpen könnten ihrer Ansicht nach 0,005 bis 0,02 cm³/(min¿·¿cm²) mit Leistungsdichten von etwa 1 W/cm² erzielen.

Michael Vogel
Physik Journal, Januar 2009, S. 13


Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  N. K. Gupta et al., Appl. Phys. Lett. 93, 193511 (2008)

AL