Mikroantriebe basierend auf Licht und Wärme

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.

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

Weitere Infos

• Mikrofluidmechanik, Fachbereich Maschinenbau und Verfahrenstechnik, TU Kaiserslautern