Akustischer Lift für schwebende Tropfen

Mit Schallwellen können Forscher Materieteilchen nicht nur in der Luft rotieren lassen, sondern auch wie von Zauberhand heben und senken.

Claudia Schneider 04.02.2014

Ein Wassertropfen schwebt auf stehenden Schallwellen, die zwischen einem Sender und Reflektor erzeugt werden.

Mit elektrostatischen Feldern oder mit Magneten können Objekte zum Schweben gebracht und in der Luft gehalten werden. Dass ein solches Kunststück prinzipiell auch mit Schallwellen gelingt, ist bereits seit über hundert Jahren bekannt. Im vergangenen Jahr demonstrierte ein Forscherteam um Daniele Foresti von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich, wie sich Flüssigkeitströpfchen und feste Partikel mithilfe von Ultraschall kontrolliert in der Luft bewegen lassen. Jetzt legt Foresti zusammen mit seinem Kollegen Dimos Poulikakos nach: Mit einer raffinierten Technik kann das Forscherduo die Tröpfchen auch heben und senken, um sich selbst drehen oder auf eine Kreisbahn bringen, die senkrecht zur Erdoberfläche verläuft. Von ihrem Experiment und den theoretischen Grundlagen berichten die Forscher im Fachblatt „Physical Review Letters“.

Damit ein Objekt frei im Raum schweben kann, ohne den Boden oder einen festen Gegenstand zu berühren, muss seine Gewichtskraft durch eine andere, entgegengerichtete Kraft ausgeglichen werden. Diese scheinbare Aufhebung der Schwerkraft – auch Levitation genannt – bewerkstelligten Foresti und seine Kollegen, indem sie Probeteilchen in den sogenannten Knoten stehender Schallwellen einfingen. Die Forscher stellten dazu drei Sender und drei Reflektoren für Ultraschall gleichmäßig im Kreis auf, und zwar senkrecht zur Erdoberfläche wie bei einem Riesenrad. Dabei standen je ein Sender und ein Reflektor in einem Abstand gegenüber, der etwa dem Zweieinhalbfachen der Wellenlänge des Tons entsprach. Durch diese Anordnung bildeten sich zwischen den Sendern und Reflektoren stehende Wellen aus, in deren Knoten die Tropfen und Partikel dann buchstäblich in der Luft hingen. Indem sie die Wellenknoten räumlich und zeitlich veränderten, gelang es den Forschern, die Probeteilchen um sich selbst zu drehen oder auf eine senkrechte Kreisbahn zu bringen.

„Im Vergleich zu unserer PNAS-Veröffentlichung aus dem Vorjahr haben wir unserem Verfahren einen neuen Freiheitsgrad hinzugefügt: die Kontrolle der Drehbewegung um die eigene Achse. Zusätzlich haben wir das Hochheben ergänzt, das heißt die Bewegung entlang einer Umlaufbahn, die plan zur Gravitationsrichtung liegt“, erläutert Foresti die Neuerungen. Die Forscher haben also eine Art unsichtbaren Lift für schwebende Partikel konstruiert. Bei den Flüssigkeitstropfen war besonders viel Fingerspitzengefühl gefragt: Sie durften nicht versehentlich durch den Schalldruck zerstäubt werden. Zwar musste die Kraft der Schallwellen die Gewichtskraft ausgleichen, aber sie durfte nicht größer als die Oberflächenspannung der Flüssigkeit sein.

Gegenüber anderen Methoden hat die akustische Levitation den Vorteil, dass sie nicht von den Materialeigenschaften abhängt. So brauchen die Probeteilchen etwa keine elektrische Ladung oder ein magnetisches Moment zu tragen. Das neue Verfahren könnte für chemische Reaktionen und biologische Prozesse interessant sein, bei denen es auf möglichst reine Proben und eine geringe Oberflächenreibung ankommt. Ob sich die das Verfahren darüber hinaus für kostengünstige Mikrogravitationsexperimente eignet, wie die Autoren behaupten, ist allerdings fraglich, betrachtet man die Kraftverteilung im Tropfen im Detail.