Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Mikrochip als Buddelschiff

02.12.2008
Magnetisch ferngesteuert arbeiten Aggregate aus Kunststoffpartikeln auf einem Mikrochip als Rührer oder Pumpen

Manchmal greifen Physiker zu altbewährten Basteltricks. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Metallforschung, der Universität Stuttgart und der Colorado School of Mines haben jetzt Mikromaschinen mit einem ähnlichen Kniff konstruiert, mit dem Modellbauer Buddelschiffe in Flaschen bugsieren: So wie diese die Masten und die Takelage eines Seglers erst in der Flasche aufrichten, fügen die Wissenschaftler Ventile, eine Pumpe und das Rührwerk eines Mikrolabors erst in einer winzigen Apparatur auf einem Chip zusammen.


Pumpen in Teamarbeit: In einem Magnetfeld lagern sich Mikrokugeln (orange) zu rautenförmigen Ventilen und einem Zahnrad zusammen. Wenn ein geschickt gesteuertes Magnetfeld das Rad durch den Hohlraum rollt, pumpt es im Zusammenspiel mit den Ventilen eine Flüssigkeit mit Kolloidteilchen (blau) durch das System. Bild: Sabri Rahmouni/Universität Stuttgart

Zu diesem Zweck haben sie Kolloidteilchen - winzige Plastikkügelchen, die sich magnetisieren lassen - als Bausteine in die Kanäle auf dem Chip geschleust. Mithilfe eines Magnetfeldes lassen sich die Teilchen dann zu größeren Aggregaten zusammenfügen und als Mikromaschinen in Bewegung setzen. (Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), 5. Dezember 2008)

Biologen und Chemiker möchten für ihre Experimente künftig möglichst auf sperrige Glaskolben, Bunsenbrenner und Magnetrührer verzichten. Vergleichbar mit der Mikroelektronik, wo Elektronen durch winzige Leiterbahnen gelenkt werden, sollen chemische Reaktionen künftig in mikrofluidischen Systemen, das heißt Kammern und Kanälen von wenigen Mikrometern Durchmesser, ablaufen. Mit solchen sogenannten "Labs on a Chip" lassen sich dann etwa DNA-Sequenzen oder Blutproben deutlich schneller und effizienter analysieren. Da sie nur mit winzigen Flüssigkeitsmengen arbeiten, ist ein solcher Ansatz auch sehr viel kostengünstiger als herkömmliche Verfahren, in denen größere Stoffmengen benötigt werden. Schließlich wären entsprechende Analyse-Geräte auch transportabel, weil ihr Herzstück sehr wenig Platz braucht. So könnten etwa Rettungssanitäter Blutproben direkt am Unfallort untersuchen.

Forscher um Clemens Bechinger, Professor an der Universität Stuttgart und Fellow am Max-Planck-Institut für Metallforschung, und David Marr, Wissenschaftler an der Colorado School of Mines, haben jetzt einen neuen Weg eröffnet, solche miniaturisierten Labore mit beweglichen Teilen auszustatten und die winzigen Apparaturen anzutreiben. Sie schleusen Kolloidteilchen, Plastikkügelchen von knapp fünf Mikrometer Durchmesser, in die Kanäle und Hohlräume auf dem Chip.

Da die Partikel Eisenoxid enthalten, lagern sie sich zusammen, wenn sie durch ein äußeres Magnetfeld magnetisiert werden. Mit vier Spulen formen die Wissenschaftler das Magnetfeld so, dass sich die Mikropartikel buchstäblich ferngesteuert zu Rauten oder Zahnrädern gruppieren: "Welche Form sie annehmen hängt entscheidend von der jeweiligen Geometrie der Kanäle ab", erklärt Tobias Sawetzki, der als Doktorand an dem Projekt arbeitet. Sobald die Mikropartikel aber einmal Gestalt angenommen haben, behalten sie diese, solange das Magnetfeld angeschaltet bleibt.

Die Geometrie bestimmt auch die Funktion der Aggregate: Eine Raute gibt durch Hin- und Herkippen jeweils eine Öffnung frei und wirkt somit als Ventil. Wirbelt sie dagegen durch eine Kammer mit zwei Zuflüssen, verrührt sie einströmende Flüssigkeiten. Angetrieben wird der Mikrorührer dabei ebenfalls von einem angelegten Magnetfeld, das parallel zum Chip mit oder gegen den Uhrzeiger rotiert. Auf diese Weise rollen die Stuttgarter Forscher auch ein Zahnrad durch einen Kanal mit einer gezackten Wand. Das Rädchen, das den Kanal komplett verschließt, schiebt eine Flüssigkeit dabei mal in die eine und mal in die andere Richtung und arbeitet kombiniert mit Ventilen wie eine Pumpe.

"Unser Buddelschiff-Ansatz hat gegenüber anderen Ansätzen, Mikrolabore mit beweglichen Teilen auszustatten, einige Vorteile", sagt David Marr. Einige Wissenschaftler verwenden beispielsweise pneumatische Systeme, um Flüssigkeiten durch Mikrokanäle zu pumpen. Dazu muss allerdings jedes Bauteil einzeln mit einem Schlauch zur Außenwelt verbunden sein, um mit Druckluft versorgt werden zu können. Dies ist recht aufwändig und beschränkt die mögliche Anzahl von Bauteilen auf dem Chip.

Mit dem neuen Verfahren lassen sich bis zu 5000 Pumpen auf einem Quadratzentimeter unterbringen. Außerdem braucht man für pneumatische Pumpen elastische Materialien. "Für Anwendungen geeignete Chips herzustellen ist sehr viel einfacher, wenn sie nur aus einem Material, möglichst aus Silizium, bestehen", sagt Clemens Bechinger. Da sich auch die elektrischen Steuerkomponenten wie etwa Minispulen auf Siliziumbasis herstellen lassen, wäre es ideal, auch die Mikrokanäle aus diesem Material zu produzieren. "Damit ließen sich alle Komponenten auf einem einzigen Chip integrieren wie wir dies auch aus der Mikroelektronik kennen", so Bechinger.

Derzeit verwenden die Forscher noch große Spulen, sodass alle Bauteile nur durch ein einziges Magnetfeld angetrieben werden und sich alle Komponenten im Gleichtakt bewegen. Dies muss jedoch kein Nachteil sein, da Prozesse in zahlreichen Anwendungen parallel laufen, etwa wenn die pharmazeutische Industrie unter vielen 1000 Substanzen einen neuen Wirkstoff sucht. Zudem können die Forscher die Kanalgeometrie so geschickt wählen, dass unterschiedliche Aggregate im gleichen Magnetfeld völlig verschiedene Funktionen erfüllen. So bietet die Methode der Stuttgarter Physiker die Möglichkeit, auch mit nur einem Magnetfeld ein komplexes Netzwerk von einzelnen, unabhängigen Bauteilen anzutreiben.

Originalveröffentlichung:

Tobias Sawetzki, Sabri Rahmouni, Clemens Bechinger, David W.M. Marr
In-Situ Assembly of Linked Geometrically-Coupled Microdevices
Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), 2. Dezember 2008

Dr. Christina Beck | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas
19.09.2017 | Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie GmbH

nachricht Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern
15.09.2017 | Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Tiny lasers from a gallery of whispers

New technique promises tunable laser devices

Whispering gallery mode (WGM) resonators are used to make tiny micro-lasers, sensors, switches, routers and other devices. These tiny structures rely on a...

Im Focus: Wundermaterial Graphen: Gewölbt wie das Polster eines Chesterfield-Sofas

Graphen besitzt extreme Eigenschaften und ist vielseitig verwendbar. Mit einem Trick lassen sich sogar die Spins im Graphen kontrollieren. Dies gelang einem HZB-Team schon vor einiger Zeit: Die Physiker haben dafür eine Lage Graphen auf einem Nickelsubstrat aufgebracht und Goldatome dazwischen eingeschleust. Im Fachblatt 2D Materials zeigen sie nun, warum dies sich derartig stark auf die Spins auswirkt. Graphen kommt so auch als Material für künftige Informationstechnologien infrage, die auf der Verarbeitung von Spins als Informationseinheiten basieren.

Graphen ist wohl die exotischste Form von Kohlenstoff: Alle Atome sind untereinander nur in der Ebene verbunden und bilden ein Netz mit sechseckigen Maschen,...

Im Focus: Hochautomatisiertes Fahren bei Schnee und Regen: Robuste Warnehmung dank intelligentem Sensormix

Schlechte Sichtverhältnisse bei Regen oder Schnellfall sind für Menschen und hochautomatisierte Fahrzeuge eine große Herausforderung. Im europäischen Projekt RobustSENSE haben die Forscher von Fraunhofer FOKUS mit 14 Partnern, darunter die Daimler AG und die Robert Bosch GmbH, in den vergangenen zwei Jahren eine Softwareplattform entwickelt, auf der verschiedene Sensordaten von Kamera, Laser, Radar und weitere Informationen wie Wetterdaten kombiniert werden. Ziel ist, eine robuste und zuverlässige Wahrnehmung der Straßensituation unabhängig von der Komplexität und der Sichtverhältnisse zu gewährleisten. Nach der virtuellen Erprobung des Systems erfolgt nun der Praxistest, unter anderem auf dem Berliner Testfeld für hochautomatisiertes Fahren.

Starker Schneefall, ein Ball rollt auf die Fahrbahn: Selbst ein Mensch kann mitunter nicht schnell genug erkennen, ob dies ein gefährlicher Gegenstand oder...

Im Focus: Ultrakurze Momentaufnahmen der Dynamik von Elektronen in Festkörpern

Mit Hilfe ultrakurzer Laser- und Röntgenblitze haben Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching bei München) Schnappschüsse der bislang kürzesten Bewegung von Elektronen in Festkörpern gemacht. Die Bewegung hielt 750 Attosekunden lang an, bevor sie abklang. Damit stellten die Wissenschaftler einen neuen Rekord auf, ultrakurze Prozesse innerhalb von Festkörpern aufzuzeichnen.

Wenn Röntgenstrahlen auf Festkörpermaterialien oder große Moleküle treffen, wird ein Elektron von seinem angestammten Platz in der Nähe des Atomkerns...

Im Focus: Ultrafast snapshots of relaxing electrons in solids

Using ultrafast flashes of laser and x-ray radiation, scientists at the Max Planck Institute of Quantum Optics (Garching, Germany) took snapshots of the briefest electron motion inside a solid material to date. The electron motion lasted only 750 billionths of the billionth of a second before it fainted, setting a new record of human capability to capture ultrafast processes inside solids!

When x-rays shine onto solid materials or large molecules, an electron is pushed away from its original place near the nucleus of the atom, leaving a hole...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Höher - schneller - weiter: Der Faktor Mensch in der Luftfahrt

20.09.2017 | Veranstaltungen

Wälder unter Druck: Internationale Tagung zur Rolle von Wäldern in der Landschaft an der Uni Halle

20.09.2017 | Veranstaltungen

7000 Teilnehmer erwartet: 69. Urologen-Kongress startet heute in Dresden

20.09.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Drohnen sehen auch im Dunkeln

20.09.2017 | Informationstechnologie

Pfeilgiftfrösche machen auf „Kommando“ Brutpflege für fremde Kaulquappen

20.09.2017 | Biowissenschaften Chemie

Frühwarnsystem für gefährliche Gase: TUHH-Forscher erreichen Meilenstein

20.09.2017 | Energie und Elektrotechnik