Fokussierung von Schallwellen mit phononischen Kristallen kann Flüssigkeiten über Laborchips treiben - Schallpumpe für winzige Tröpfchen

Schallwellen lassen Tropfen hüpfen

Glasgow (Großbritannien) - Ein wummernder Bass lässt das Wasser in einem Glas vibrieren. Und mit sehr hohen Schallwellen können Tropfen gezielt zum Hüpfen gebracht werden. Britische Wissenschaftler entwickelten dazu nun ein ausgekügeltes Experiment, das die Grundlage für eine völlig neuartige und genau steuerbare Mikropumpe liefern könnte. Über ihre Experimente berichten sie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift "Advanced Materials".

"Mit phononischen Strukturen können wir genau kontrollieren, in welche Richtung Tropfen hüpfen können", sagt Julien Reboud von der University of Glasgow gegenüber Wissenschaft aktuell. Dazu ätzten sie aus einem Silizium-Rohling eine filigrane Struktur, in der sich viele 160 Millionstel Meter kleine Scheiben zu einem Areal anordneten. Mit diesem phononischen Kristall ließen sich hochfrequente Schallwellen zwischen 12 und 13 Megahertz genau auf benachbarte Wassertropfen fokussieren. Diese vom menschlichen Gehör nicht wahrnehmbaren Ultraschallsignale übertrugen dabei genug Energie, um die winzigen Wassertropfen in eine vorbestimmte Richtung hüpfen zu lassen.

Per Videoaufnahme verfolgten Reboud und Kollegen die Bewegung der Wassertropfen. Durch die Schallwellen bäumten sie sich binnen 20 Millisekunden zu einem kleinen Wassenschlauch auf, wobei die wirkenden Kräfte größer waren als die Oberflächenspannung. So von der Unterlage abgelöst, flog der Tropfen einige Millemeter weit. Weite und Richtung dieses Tropfenflugs konnten die Forscher über die Intensität und Fokussierung der Schallwellen genau kontrollieren.

Dieses Experiment zeigt, wie exakt Wassertropfen durch Schallwellen bewegt werden können. Nachdem die Forscher nun die Grundlagen für eine Schall-Steuerung gelegt haben, könnte aus phononischen Kristallen eine Art Schallpumpe konzipiert werden, die beispielsweise Flüssigkeiten über Laborchips gezielt verteilen soll.