Lichtgetriebene Mikromaschinen: Mikropartikel rührt Flüssigkeiten um

Lichtgetriebene Mikromaschinen: Mikropartikel rührt Flüssigkeiten um

Wissenschaftler der Universität Leipzig haben zusammen mit internationalen Forschern eine winzig kleine Maschine entwickelt, die mit Hilfe eines fokussierten Laserstrahls angetrieben wird. Die Maschine kann als Grundlage für die Konstruktion mikroskopischer Antriebe dienen.

Illustration des Partikels im fokussierten Laserstrahl und der Flüssigkeit Foto: Falko Schmidt / Universität Leipzig

Mit Maschinen verbindet man die Vorstellung von Motoren, Achsen oder Zahnrädern. Derartige Systeme spielen seit der Entwicklung der Dampfmaschine eine wichtige Rolle für den technologischen Fortschritt. Sie befeuern immer wieder den Drang, auch auf kleinster Längenskala, also auf wenigen Mikrometern, Maschinen als Antrieb zu realisieren. Derart vielseitig sind auch die Entwicklungen, die von mechanischen Elementen bis hin zu kleinen Dampfmaschinen reichen. In Flüssigkeiten hingegen sind andere physikalische Prozesse von Bedeutung: Auf wenigen Mikrometern bestimmen die starke Reibung in der Flüssigkeit und das Zittern durch die Brownsche Bewegung die Dynamik von kleinsten Objekten.

Ein Team von Wissenschaftlern der Universität Göteborg in Schweden, der Bilkent Universität in der Türkei und der Universität Leipzig beschreibt nun in der renommierten Zeitschrift Physical Review Letters, wie mit Hilfe von Licht und einem nur wenige Mikrometer großem Partikel eine winzige lichtgetriebene Maschine entsteht. Diese rührt eine spezielle Flüssigkeitsmischung im wahrsten Sinne um und könnte somit in Zukunft zum Mischen kleinster Flüssigkeitsmengen dienen, in denen dies auf Grund der Abmessungen sonst nur schwer möglich ist.

Falko Schmidt, ehemaliger Physikstudent der Universität Leipzig und jetzt Doktorand in der Arbeitsgruppe von Prof. Dr. Giovanni Volpe an der Universität Göteborg in Schweden, hat diese Maschinen untersucht und erläutert: "Unsere Mikromaschine ist gar nicht so sehr von einer Dampfmaschine verschieden. Die Energie für den Antrieb liefert ein fokussierter Laserstrahl, der das Partikel und seine Umgebung aufheizt. Gleichzeitig funktioniert der Laser aber auch als optische Pinzette und hält das Partikel in einer stabilen Position in der Flüssigkeit." Das Entscheidende bei dieser Maschine ist letztendlich aber eine spezielle Mischung aus zwei Flüssigkeiten: Lutidin und Wasser. Oberhalb einer Temperatur von etwa 34 Grad Celsius entmischen sich diese beiden Flüssigkeiten. Genau diese Temperatur wird durch das optische Heizen eines mit Eisenoxid besetzten Mikropartikels erreicht. Dabei helfen kleine Unterschiede in der Dichte der Eisenoxidpartikel im Mikropartikel, um die Mischung auf einer Seite eher zum Entmischen zu bewegen.

"Diese Entmischung treibt unsere Maschine voran und lässt das Partikel mit bis zu 1160 Umdrehungen pro Minute in der optischen Pinzette rotieren", schildert Falko Schmidt. Das Team von Wissenschaftlern betont, dass derartige Maschinen für Anwendungen zur chemischen Analytik auf kleinsten Längenskalen eingesetzt werden könnten. "Sie können helfen, kleinste Flüssigkeitsmengen zu mischen oder komplexere Maschinen anzutreiben" meint Prof. Volpe, der dieses Projekt leitet. "Die Arbeit zeig auch, wie Dissipation, also die Abgabe von Energie in Form von Wärme, auch auf mikroskopischer Skala zur aktiven Bewegung von Teilchen und zum Verrichten von Arbeit genutzt werden kann", erläutert Co-Autor Prof. Dr. Frank Cichos vom Peter-Debye-Institut für Physik der weichen Materie der Universität Leipzig. Dissipation ist eines der spannenden Themen, die vor allem in der Physik an der Universität Leipzig in den nächsten Jahren von wachsender Bedeutung sein wird.

Referenz:
"A Tiny Engine Powered by Light and Liquid Physics"
F. Schmidt, A. Magazzù, A. Callegari, L. Biancofiore, F. Cichos, G. Volpe
Phys. Rev. Lett. 120, 068004 (2018)

Quelle:
Pressemitteilung Universität Leipzig

Weitere Informationen:
Prof. Dr. Frank Cichos
Peter-Debye-Institut für Physik der weichen Materie
Tel.: +49 (0) 341 97-32 571
E-Mail | Webseite

letzte Änderung: 14.09.2018

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