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Mikrofluidik: Tropfen und Flüssigkeitsfilme

Die Wechselwirkung zwischen Flüssigkeiten und Festkörpern laufen nahezu ausschließlich über ihre Grenzschichten ab. Diese Beziehung ist auf der Ebene der Mikrotechnik nicht ausreichend verstanden. Durch die Miniaturisierung bis hin zum Nanomaßstab werden für viele Verfahren in Forschung und Anwendung nur noch winzige Probenvolumina benötigt. Das Verhalten sogenannter mikrofluider Flüssigkeitsmengen, das Abperlen und Benetzen fester Oberflächen, wird nun systematisch erforscht.

Ein Beispiel für schlechte Benetzbarkeit sind Porzellan- oder Kunststoffoberflächen. Sie mit Wasserfarben zu bemalen ist nicht möglich. Die Farben perlen ab oder rutschen als Tropfen von der Oberfläche.

Die Oberflächenspannung mikrofluider Lösungen macht in der Mikrosystemtechnik, in Mikro- und Nanotiterplatten, in Nanopumpen oder winzigen Laborchips große Schwierigkeiten. In den winzigen Probenvolumina findet beispielsweise die spezifische Bindung zwischen Targetmolekülen in der Probenflüssigkeit und den an der Oberfläche eines Chips immobilisierten Fängermolekülen in einer ungünstigen Geometrie statt. Denn die Durchmischung der Moleküle in dem dünnen Flüssigkeitsfilm beschränkt sich auf die Diffusion. Es kommt dadurch zu Verarmungszonen in der unmittelbaren Nachbarschaft der Fängermoleküle.

Lange Inkubationszeiten, Inhomogenitäten und ein nicht optimales Signal-Rausch-Verhältnis sind die Folge. Gerade die Durchmischung ist ein spezifisches Problem solcher mikrofluiden Lösungen. Die geringe Dicke der Filme, die durchaus dünner als 0,1 mm sein können, verhindert die Bildung von Turbulenzen.

Doch gerade in Medizin und Pharmazie besteht eine wachsender Bedarf an hochpräzisen Analysengeräten für kleine Substanzmengen. So werden derzeit hochparallele Dosierverfahren für den Nano- und Pikoliterbereich entwickelt. In solchen winzigen Volumina gewinnen Fragen nach der korrekten Durchmischung eine ganz neue Bedeutung.

Unter anderem deshalb unterstützt die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) nun das Schwerpunktprogramm "Nano- und Mikrofluidik: Von der molekularen Bewegung zur kontinuierlichen Strömung". Bei dem von Frau Professor Karin Jacobs von der Universität des Saarlandes geleiteten Projekt, geht es darum, die Eigenschaften winziger Flüssigkeitsmengen zu charakterisieren und zu verstehen.

Entnetzen bis zum Netzwerk

Ein dünner Polystyrol-Film auf einem hydrophoben Festkörper – z. B. ein Siliciumwafer, dessen Oberfläche durch eine kovalent gebundene Alkylisan-Monoschicht hydrophob gemacht worden ist – zeigt sehr gut das Phänomen der Entnetzung, wenn er erhitzt und geschmolzen wird. Der Prozess beginnt, wenn die van-der-Waals-Wechselwirkungen der Polystyrolmoleküle untereinander stärker sind als die Wechselwirkungen zwischen ihnen und den Molekülen der Unterlage.

Es entstehen zunächst statistisch verteilte Löcher im Film. Dann bilden sich einzelne Tropfen auf einer ansonsten trockenen Oberfläche. Das Endstadium ist erreicht, wenn die isoliert erscheinenden Tropfen sich zu einem polygonalen Netzwerk aus perlenartigen Tropfenketten zusammenschließen.

Die Morphologie solcher Netzwerke ist von Material und Filmdicke abhängig. Verwendet man beispielsweise Flüssigkristalle als Film, entstehen neben den Löchern auch charakteristische Wellen in einem genau definierten Abstand zueinander. Die Erforschung solcher dünnen Filme steht gerade erst am Anfang.

Es wird versucht, deren dynamischen Eigenschaften auf kleinstem Maßstab zu erlernen. Visionäres Ziel dieser rheologischen Forschung ist es, allein durch die Analyse des Endstadiums alle wesentlichen Entnetzungsmechanismen sowie die rheologische Eigenschaften des jeweiligen Films zu erschließen.

Fluide Mikrostrukturen und ihre Manipulation

Das Wissen über das mikrofluide Verhalten von Proben und Lösungen soll direkt in die Entwicklung verbesserter Mikrotechniken in Umweltschutz, Medizin und pharmazeutische Forschung einfließen. Voraussetzung ist, dass es gelingt, die spezifische Strukturbildungsneigung während der Entnetzung zu zähmen und gezielt fluide Mikrostrukturen zu erzeugen – entweder durch chemisch strukturierte Substratoberflächen oder mit Hilfe elektrischer Felder.

Die Technik könnte es zum Beispiel eines Tages ermöglichen, einen einzigen Blutstropfen in einem Laborchip auf einer so großen Fläche zu verteilen, dass sich damit viele verschiedene Analysen gleichzeitig durchführen lassen.

Umgekehrt wird versucht, begrenzte mikrofluide Strukturen zu erzeugen, um die Selbstorganisation von Biomakromolekülen zu untersuchen. Mit mikrofluiden Strukturen kann der Frage nachgegangen werden, wie sich eine räumliche Einschränkung auf Dynamik und Struktur der Biopolymere DNA, Aktin und Mikrotubuli auswirkt.

In mikrofluiden Kanälen lassen sich solche Makromoleküle im kontinuierlichen Fluss nahezu unter physiologischen Bedingungen untersuchen. Lichtoptische Methoden eignen sich hier ebenso wie die Röntgenkleinwinkelstreuung und die Rasterkraftmikroskopie. Zusätzlich wird es möglich, Wechselwirkungspartner wie Lipide oder Kolloide beizumischen und die Reaktionen zu messen. Am Ende sollte der interzelluläre DNA-Transport bei einer Gentherapie ebenso besser verstanden sein wie das zelluläre Verhalten von Aktin und Mikrotubuli.

Gelingt es, mikrofluide Strukturen zu erzeugen, wird auch sogleich versucht, diese wieder zu manipulieren. Um zum Beispiel die Morphologie eines Tropfens zu verändern oder den Flüssigkeitstransport innerhalb einer mikrofluiden Struktur anzuregen, gibt es verschiedene Methoden. Ganz neu ist das Elektrobenetzen, mit dem der Druck innerhalb eines Tropfens verändert werden kann.

Die seitliche Tropfenoberfläche bildet mit der Unterlage einen Kontaktwinkel aus. Ein Kontaktwinkel von 0° bedeutet vollständige Benetzung, der Wassertropfen zerläuft zu einem monomolekularen Film. Ein Kontaktwinkel von 180° zeigt vollkommene Unbenetzbarkeit an, da der Tropfen die Oberfläche in nur einem Punkt berührt.

Ist nun die Unterlage ein Isolator und die Tropfenflüssigkeit ein Elektrolyt, bildet sich durch das Anlegen einer Elektrode unterhalb des Isolators ein Plattenkondensator. Durch Variierung der Spannung zwischen Elektrolyt und Elektrode ändert sich der Kontaktwinkel um bis zu zehn Grad, das heißt, der Tropfen wird entsprechend flacher oder höher.

Ein wichtiger Anwendungsbereich dieser Forschung ist es auch, die Oberflächenreibung zwischen flüssigen und festen Medien zu reduzieren. So wird bereits seit 30 Jahren dem Löschwasser der Feuerwehr 30 ppm hochmolekulares Polyethylenoxid zugesetzt. Das Polymer reduziert die Reibung der Wassermoleküle an der Schlauchwandung sehr deutlich. Im Gegenzug erhöhen sich Spritzweite und -höhe. Die genaue Ursache dieses Effektes ist aber bis heute nicht bekannt.

Mutter Natur war schneller

Dass die Natur ebenfalls an solchen Problemen gearbeitet hat, das entdeckte der Bonner Botaniker Wilhelm Barthlott in den 1970er-Jahren. Er hatte beobachtet, dass die Blätter von Kohl, Schilf, Kapuzinerkresse, Akelei, Tulpe und vor allem der Seerose (Lotusblume) kaum verschmutzen.

Als er behauptete, dass dieser so genannte Lotus-Effekt durch die Mikrostruktur der Blattoberflächen entsteht, wurde er ausgelacht. Denn die Physiker glaubten, eine Fläche müsse glatt sein, um möglichst nichts haften zu lassen. Heute gibt es selbstreinigende Waschbecken, abwaschbare Lacke und dergleichen mehr, deren Benetzbarkeit durch raue Oberflächen stark herabgesetzt ist.

Den Lotus-Effekt anzuwenden ist nur möglich, weil er ausschließlich auf einer physikalisch-chemischen Grundlage beruht und nicht an ein lebendes System gebunden ist. Die Mikronoppen auf den rauen, unbenetzbaren Blättern verringern nicht nur die Adhäsion von Wasser, sondern auch die des Schmutzes. Rollt ein Tropfen über die nur lose aufliegenden Schmutzpartikel, werden sie von Wasser benetzt und haften an der Tropfenoberfläche. Durch die geringe Adhäsion an die Oberfläche werden die Partikel mitgerissen und vom Blatt entfernt. Auf den Blättern der Lotusblume haften nicht einmal Honig oder Alleskleber auf Wasserbasis wie Uhu.

Ist eine glatte Oberfläche hydrophob, führt ein Aufrauen zu Superhydrophobie, zu extremer Wasserabstoßung. Im letzteren Fall bildet sich ein Luftpolster zwischen den Mikrostrukturen und dem Wassertropfen, vergleichbar dem Wasserdampfpolster eines Tropfens auf einer heißen Herdplatte (Leidenfrostscher Versuch). Die Kontaktfläche zwischen Blatt und Wassertropfen ist extrem minimiert, sodass der Tropfen scheinbar reibungslos hin- und her- oder abrollt.

Weiche Materie

Da polymer- und makromolekülhaltige Lösungen nicht nur von atomaren, sondern auch von kolloidalen Kräften wie der van-der-Waals-Kräften, Solvatationskräften oder Grenzflächenspannungen bestimmt werden, sprechen die Fachleute nicht mehr von Flüssigkeiten, sondern von weicher Materie. Deren Dynamik harrt aber ebenso noch der Aufklärung wie ihre Grenzflächeneigenschaften.

Die Forschung geht weit über Entnetzungsmuster hinaus. Weshalb ist eine Burg aus feuchtem Sand an Land stabil, unter Wasser aber nicht? Wie dringt eine Flüssigkeit in poröses Gestein ein? Die Klebeeigenschaften sind ebenso wenig verstanden wie das Fließen durch einen kiesigen Untergrund.

Literatur

Herminghaus, Seemann, Podzimek, Jacobs: Strukturbildung und Dynamik in makromolekularen Filmen. Nachrichten aus der Chemie 49, 1398 – 1404 (2001). Scriba, J.: Nanopumpen verbessern die Microarray-Inkubation. Laborwelt, III/2002. Becker, Grün, Seemann, Mantz, Jacobs, Mecke, Blossey: Complex dewetting scenarios captured by thin-film models. Nature Materials 2, 59 – 63 (2003).

Mikrofluidik im Netz Weiche kondensierte Materie Professor Jacobs, Universität des Saarlandes www.uni-saarland.de/fak7/ jacobs/anfang.htm Elektrobenetzen Videoarchiv der Universität Ulm www.uniulm.de/uni/fak/ natwis/angphys/deutsch/ projektgruppen/mugele/ movie%20archive/ video_archive.html Verminderung der Reibung www.rjtipton.com/intro.htm Nano- und Mikrofluidik www.wetting.de/softmatter/

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