06.01.2023 • FluiddynamikNanophysik

Nanopumpen für den Transport von Flüssigkeiten und Nanopartikeln

Wechselspannung an konischen Nanoporen führt zu Pumpwirkung.

Meerwasser entsalzen oder Trinkwasser von schädlichem Nitrat befreien: Das gelingt dank Membranen, die von winzigen Nanoporen durchsetzt sind. Man kann sie sich als Sieb vorstellen, dessen Löcher nur wenige Millionstel Millimeter Durchmesser haben. Auch in der Bioforschung spielen Nanoporen eine Rolle. Ein Beispiel: Das Erbgutmolekül DNA kann sie nur passieren, wenn es sich entknäuelt. Es verlässt die Pore als Faden, von dem Forscher die Erbinformation dann ablesen können.

Abb.: Die Nanopore pumpt Flüssigkeit entlang der gelben Strom­linien bzw. der...
Abb.: Die Nanopore pumpt Flüssigkeit entlang der gelben Strom­linien bzw. der weißen Pfeile, während sich an den Poren­enden die wie ein Schild fungie­rende Schicht von Ionen aufbaut (grün; Bild: A. D. Ratschow, TU Darmstadt)

Allerdings ist die Technik schwer kontrollierbar. Eine Flüssigkeit passiert alle Nanoporen auf die gleiche Weise. Für manche Anwendungen, wie die präzise Platzierung von winzigen Partikeln in der Nanotechnik, wäre es jedoch von Nutzen, den Durchfluss durch einzelne Nanoporen gezielt zu kontrollieren, also gleichsam individuelle Poren als winzige Pumpen zu verwenden, die sich an- und abschalten lassen. Aaron Ratschow von der TU Darmstadt und sein Team schlagen jetzt eine neue Methode vor, mit der das möglich sein könnte.

Dazu müssen die Nanoporen eine konische Form haben, also einem Trichter ähneln, wie die Forscher mit Hilfe von Computersimulationen zeigen konnten. Konkret geht es um die Passage von Elektrolyten, wie etwa salzigem Wasser. Diese lassen sich mit Hilfe eines elektrischen Felds, das eine Kraft auf die Ionen ausübt, durch die Pore drücken. Allerdings wechselwirken die Ionen auch mit dem Teil der Porenwand, wo das Feld angelegt wird. Es bildet sich nach kurzer Zeit eine Schicht von Ionen an der Porenwand, die das antreibende elektrische Feld wie eine Art Schild abschirmt. Der Durchfluss kommt zum Erliegen.

Legt man jedoch eine Wechselspannung an die Pore an, wird dieser Prozess immer wieder abgebrochen und die Flüssigkeit fließt mit der doppelten Frequenz der Spannung hin und her. Wäre die Pore zylinderförmig würde in beide Richtungen jeweils gleich viel Elektrolyt fließen. Durch die konische Form jedoch fließt in die eine Richtung mehr als in die andere. So entsteht netto ein Durchfluss von der schmalen zur breiten Seite der Nanopore.

Für diese Pumpwirkung entscheidend ist die Frequenz der Wechselspannung. Ist sie zu niedrig, hat der Schild Zeit, sich dennoch auszubilden. Ist sie zu hoch, haben die Ionen zu wenig Zeit, irgendwohin zu fließen. Nur bei einer Resonanzfrequenz von einigen Megahertz stellt sich der Nettofluss ein. Da sich die Wechselspannung mit Hilfe eines winzigen Gates an einzelne Poren legen lässt, können somit einzelne Poren gezielt ein- und ausgeschaltet werden.

Um die Ergebnisse ihrer Computersimulation zu erklären, haben die Forscher ein mathematisches Modell erstellt. Es reproduziert die Ergebnisse der numerischen Computersimulation. Ratschow ist daher zuversichtlich, dass die experimentelle Umsetzung der theoretischen Ergebnisse, klappt. Auch für potenzielle Anwendungen hat der Forscher bereits Ideen: „Unsere Technik könnte helfen, wenn man Elektrolyte gezielt transportieren oder einschleusen will, oder um Nanopartikel exakt zu positionieren.“ Für Life Sciences und Nanotechnologie könnte die Entdeckung also nützlich werden.

TU Darmstadt / RK

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