In der Analytik ist Miniaturisierung Trumpf: Winzige Flüssigkeitsmengen fließen auf modernen Chips mit Hilfe elektrischer Felder, werden in Kanäle gelenkt und mit anderen Tropfen gemischt, so dass ihr Inhalt reagieren oder seine Zusammensetzung preisgeben kann. Bisher allerdings ist die Mikrofluidik, wie man die Technik nennt, an Oberflächen gebunden. Doch dank einer Entwicklung von Jon Cooper und seinem Team von der University of Glasgow sollen lenkbare Tropfen nun auch die dritte Dimension erobern. Die Wissenschaftler haben einen Weg gefunden, Tropfen auf Oberflächen zu Wassersäulen nach Belieben zu formen.
Gesteuerter Tropfen | Die Ausrichtung der Wassersäule ändert sich abhängig von der Position des Tropfens und der Form des lokalen Schallfeldes. Die senkrechte schwarze Linie dient der Orientierung. Quelle: Cooper, J. et al.: Phononic Crystals for Shaping Fluids, Advanced Materials 10.1002/adma.201004455, 2011.
Das Mittel der Wahl sind Schallwellen auf Oberflächen. Sie werden in die Flüssigkeitstropfen hineingebrochen und verursachen dort Strömungen, so dass aus einem nur zehn Mikroliter großen Tropfen eine bis zu einen Zentimeter hohe Wassersäule wird. Normalerweise bestimmen die Richtung der anregenden Welle und die intrinsischen Eigenschaften der Flüssigkeit, wohin sich die Wassersäule wendet; dadurch bleibt nur wenig Spielraum, sie zu steuern. Cooper und Kollegen haben jetzt die Möglichkeit, die Flüssigkeitstropfen kontrolliert in verschiedene Richtungen zu lenken.
Sie verwenden dazu eine 470 Mikrometer dicke Siliziumschicht, die in einem regelmäßigen Muster durchlöchert ist: ein phononischer Kristall. Ein solches Material kann Schallwellen bestimmter Frequenzen bündeln, reflektieren oder ganz ausschließen, je nach Struktur und Frequenz der Welle. Das Muster ist so angeordnet, dass sich in seinem Zentrum ein sich verjüngender Streifen befindet, dessen Ränder Schallwellen bündeln und reflektieren.
Gelenkte Wassersäulen | Dank der 160 Mikrometer breiten Löcher an den Seiten der Platte lassen die Schallwellen Wassersäulen je nach lokaler Geometrie in verschiedene Richtungen aufsteigen.
Auf diesem Streifen ausgebrachte Tropfen können nun mit Hilfe eines unter der Schicht angebrachten piezoelektrischen Materials verformt werden. Die genaue Form, Richtung und Höhe der Flüssigkeitssäule hängt von verschiedenen Parametern wie Frequenz und Stärke der Schallwellen und dem Ort des Tropfens auf der Oberfläche ab. Die neue Methode soll die Möglichkeiten der Mikrofluidik, zum Beispiel Lab-on-a-Chip-Techniken, buchstäblich um eine Dimension erweitern. (lf)
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