04.05.2022

Mikroantriebe basierend auf Licht und Wärme

Gefördertes Projekt will gerichtete Bewegungen in Flüssigkeiten erzeugen.

Mit der Strömungs­mechanik in minia­turisierten Systemen beschäftigt sich Clarissa Schönecker, die an der Technischen Universität Kaiserslautern (TUK) das Fachgebiet Mikrofluid­mechanik leitet. Aktuell untersucht sie mit ihrer Arbeitsgruppe, ob und wie sich auf Miniatur­ebene mithilfe von Licht oder Abwärme gerichtete Bewegungen in Flüssig­keiten erzeugen lassen. Ziel der Forschungs­arbeit ist es, die Grundlagen für Antriebe in Mikrosystemen zu schaffen. Hierfür hat die Deutsche Forschungs­gemeinschaft im Rahmen von zwei Förderlinien – dem Emmy-Noether-Programm sowie dem Programm „Forschungsgroßgeräte“ – jetzt eine Gesamt­fördersumme von rund 1,9 Millionen Euro bewilligt.

Abb.: Clarissa Schönecker leitet das Fachgebiet Mikrofluid­mechanik an der TU...
Abb.: Clarissa Schönecker leitet das Fachgebiet Mikrofluid­mechanik an der TU Kaiserslautern. (Bild: Koziel, TUK)

Je kleiner eine Rohrleitung ist, desto größer ist die Oberfläche im Verhältnis zum Innenraum. Oberflächeneffekte wie etwa Reibung wirken sich stärker aus. Daher funktionieren Antriebst­echniken, wie wir sie aus Makrowelt kennen, in Mikro­systemen nicht. Neue Lösungen sind gefragt. „Wir beschäftigen uns mit zwei unter­schiedlichen Strömungs­szenarien in Mikrosystemen“, sagt Schönecker. „Zum einen mit der Flüssigkeits­bewegung relativ zu einer Oberfläche, wie sie bei Pumpvorgängen in Rohrleitungen erforderlich ist. Zum anderen erproben wir verschiedenste Transport­vehikel, die sich relativ zu einer ruhenden Flüssig­keit bewegen sollen, also quasi wie ein Boot. Derartige Mikro­schwimmer könnten unter anderem zum Stofftransport in minia­turisierten Anwendungen dienen könnten.“

Um einen Antrieb der Strömung in Mikro­kanälen zu ermöglichen, nutzen Schönecker und ihre Arbeitsgruppe als Festkörper spezielle Strukturen mit super­hydrophoben Oberflächen. Diesen gelingt es, unterstützt durch ein spezielles geometrisches Design, zugeführte Wärme so zu verteilen, dass sich die Flüssigkeit in Bewegung setzt. Die Strömungs­bewegung entsteht, indem der Temperatur­gradient die Oberflächen­spannung der Flüssigkeit verändert und eine Zugwirkung auftritt. „Letzt­endlich wollen wir verstehen, wie sich Pumpbewegungen in einem mikrotechnischen System umsetzen lassen“, erläutert die Nachwuchs­wissenschaftlerin. „Vorstellbar ist beispiels­weise, dass so künftig die Abwärme von einem elektrisch betriebenen Bauteil dazu dienen kann, eine Kühl­flüssigkeit ins Strömen zu versetzen.“

In punkto Mikro­schwimmer untersucht Schönecker ebenfalls Licht oder Wärme als Ursache der Bewegung. „Forschungs­gegenstand sind aktuell überwiegend Miniatur­vehikel, an denen eine chemische Reaktion abläuft, um sie in Bewegung zu versetzen“, so Schönecker. „Sprich, die Transporter sind abhängig von einem Treibstoff, der entweder auf der Wasser­oberfläche schwimmt oder den sie selbst mit sich führen müssen. Diese Abhängigkeit von chemischen Systemen besteht bei unserem Forschungs­ansatz nicht.“ Stattdessen verändern die Mikro­transporter, die die Forscherin erprobt, mit dem eigenen Aufwärmen lokal die Oberflächen­spannung der Flüssigkeit, in der sie schwimmen. Das verleiht ihnen – gleiches Prinzip wie oben – den nötigen Antrieb. Weitere Frage­stellungen, mit denen sich Schönecker beschäftigt: Welches Design erlaubt es, dass die Mikro­schwimmer gerichtete Bewegungen ausführen und wie lassen sich diese bestmöglich steuern?

„In ersten Versuchen mit minia­turisierten Thermo­booten sowie mit weiteren asymmetrisch struk­turierten Partikeln konnten wir unter Licht- bzw. Wärme­einwirkung bereits Bewegungen nachweisen“, fasst die Forscherin zusammen. „Mithilfe der Emmy-Noether-Förderung werden wir nun unsere Versuchsansätze erweitern und optimieren. Darüber hinaus ist es uns möglich, mit den zusätzlichen Mitteln aus dem Forschungs­großgeräte-Programm ein Konfokal­mikroskop mit Fluoreszenz­korrelations­spektroskopie anzuschaffen, mit dem wir Strömungs­geschwindigkeiten in einer extrem hohen Ortsauflösung und ganz nahe an Grenz­flächen messen können. Sprich, wir können umfassend sichtbar machen, was im kleinsten Detail passiert.“ 

TUK / JOL

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