Strom lässt strömen

Wer eine herkömmliche Pumpe benutzt, um eine Flüssigkeit oder ein Gas durch eine extrem dünne Kapillare hindurch zu bewegen, stößt schnell an seine Grenzen: Je dünner die Kapillare, desto höher der benötigte Druck. Der Energie­aufwand für feinste Kapillaren wäre immens. Stattdessen machen sich Experten einen Kniff zu Nutze: Ersetzt man die Pumpe durch ein parallel zur Kapillare angelegtes elektrisches Feld, ist es möglich, mit geringem Aufwand einen sogenannten elektro­osmotischen Fluss zu erzeugen. Er beruht auf einer Doppelschicht aus Ionen, die sich an der Innenwand der Kapillare ausbildet. Die in der Kapillare enthaltene Flüssig­keit bzw. das enthaltene Gas ist dann nicht mehr elektrisch neutral und kann durch ein elektrisches Feld bewegt werden.

Im Jahr 1909 gelang es dem polnischen Physiker Marian Smoluchowski, die Strömungs­geschwindigkeit in einem solchen Aufbau zu beschreiben. Jetzt, gut 100 Jahre später, wird deutlich, dass die Smoluchowski-Gleichung nur für ganz spezielle Bedingungen eine exakte Vorhersage treffen kann: Für hydrophile Kapillar­wände, bei denen der Kontaktwinkel gegenüber Wasser kleiner als 90 Grad ist.

Ganz andere Bedingungen herrschen an hydro­phoben Oberflächen, an die sich aber ebenfalls Ionen anlagern können. Olga Vinogradova erklärt: „Um auch hier genaue Berechnungen zu ermöglichen, haben wir die Gleichung angepasst. Zwei Phänomene spielten dabei eine Rolle: Das war einerseits eine Gleit­bewegung (‚Slippage‘), welche die Geschwindigkeit der Fluid­ströme deutlich erhöht. Andererseits wollten wir das Verhalten von an die Kapillarwand angelagerten Ionen berück­sichtigen. Versetzt das elektrische Feld auch diese Ionen in Bewegung, können sie den Fluidstrom in Wandnähe zusätzlich beschleunigen oder auch abbremsen. Unsere theoretischen Überlegungen haben wir anschließend durch Simulations­experimente belegen können.“

Hauptakteur in der Smoluchowski-Gleichung ist das sogenannte Zeta-Potenzial. Dieser Parameter spiegelt die elektro­kinetische Mobilität eines Partikels wieder. Je höher das Zeta-Potenzial, desto schneller bewegt sich ein Partikel oder ein Fluid in einem elektrischen Feld. Für hydrophobe Oberflächen schlägt Olga Vinogradova eine angepasste Inter­pretation des Zeta-Potenzials vor, die neben der Beweglichkeit von Ober­flächen­ladungen auch den erwähnten Gleiteffekt einbezieht.

Das Zeta-Potenzial spielt in vielen technologischen und wissenschaftlichen Bereichen eine Rolle, beispielsweise in der Medizin, der Abwasser­behandlung und der Boden­reinigung. Darüber hinaus ist es wichtig für mikro- und nanofluidische Anwendungen. Ein Beispiel ist die Mini­diagnostik in Form von Chip-Laboren, wie sie heutzutage bereits für den Nachweis und die Trennung von Biomolekülen genutzt werden.

DWI / DE