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Am MPI für Strömungsforschung machen Wissenschaftler kleine Rillen in Chips und untersuchen das (Fließ-)Verhalten der Flüssigkeiten in den Rillen.
Meldung aus dem Bereich: Forschung
Dr. Dieter Porth Am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation beschäftigen sich die Forscher mit den Eigenschaften von Flüssigkeiten in kleinsten Räumen. Das Ziel ihrer Forschungen soll das Labor auf dem Chip sein. Das Neue an der Forschung liegt in der Zusammenführung von Herstellungstechniken und Analysetechniken, die bis vor einigen Jahren einfach noch nicht entwickelt waren. Es werden sicherlich auch noch einige Jahre ins Land geben, bevor die Chemiker und Biochemiker die neuen und bisher noch störungsempfindlichen Reaktionsgefäße für ihre Untersuchungen verwenden.
Göttingen - x!-- Datum --x16.02.06 (set: 25.01.2006) - Pressemitteilung
MPI für Dynamik und Selbstorganisation [ [Homepage] ]
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[Göttingen - 16.02.06 - Pressemitteilung] [Quelle: Website]
Offene Systeme für die Mikro- und Nanofluidik - Max-Planck-Wissenschaftler schaffen wichtige Grundlage zur Herstellung neuartiger Reaktionsgefäße für die Mikro- und Nanofluidik
Die Zukunft gehört den "labs-on-a-chip", also chemischen und biochemischen Labors, die auf die Größe eines Computerchips geschrumpft sind. Diese eröffnen die Möglichkeit, mit minimalen Reagensmengen, sehr schnellen Reaktionszeiten und massiv parallel operierenden Prozessen Zeit und Kosten zu sparen. Eine entscheidende Voraussetzung für solche winzigen Labors sind geeignete Mikrokompartimente, die kleinste Mengen Flüssigkeit oder chemischer Stoffe wirksam umschließen. Dafür erforderlich sind direkt zugängliche Oberflächenkanäle, die mit photolithographischen Methoden hergestellt werden können und die ein vielversprechendes Design-Prinzip für offene Systeme in der Mikro- und Nanofluidik darstellen. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Kolloid- und Grenzflächenforschung, des Max-Planck-Instituts für Dynamik und Selbstorganisation sowie der University of California in Santa Barbara, USA, haben nun gemeinsam gezeigt, dass solche offenen Systeme nur dann möglich sind, wenn die Geometrie der Oberflächenkanäle genauestens mit der Benetzbarkeit des Substratmaterials abgestimmt wird (PNAS 102, 1848-1852, 8. Februar 2005).
Abb. 1: Rasterkraftmikroskopie-Aufnahmen
Abbildung 1 mit Rasterkraftmikroskop-Visualisierungenvon Flüssigkeitsmorphologien auf Siliziumsubstraten mit rechteckigen Oberflächenkanälen, die eine Breite von etwa einem Mikrometer haben. Links: Die Flüssigkeit dringt nicht in die Kanäle ein, sondern bildet zitronenförmige Tröpfchen aus, die die Kanäle (dunkle Streifen) überlagern. Rechts: Die Flüssigkeit breitet sich entlang der Kanäle aus und bildet ausgedehnte Filamente, zwischen denen sich fast leere Kanalsegmente (dunkle Streifen) befinden. In der unteren Zeile sind in beiden Aufnahmen links und rechts mehrere parallele Oberflächenkanäle zu sehen; in der oberer Zeile ist nur ein Kanal zu sehen, der ein Tröpfchen (links) bzw. ein Filament (rechts) enthält. Bei genauerer Betrachtung der Aufnahme rechts oben stellt man fest, dass das Filament mit dünnen Flüssigkeitskeilen entlang der unteren Kanalecken verbunden ist und dass die Kontaktlinie, d.h. der Rand des Meniskus an den oberen Kanalkanten "festgepinnt" ist.
Bild: Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation
Forschungsgruppen auf der ganzen Welt arbeiten an Herstellung und Design von "labs-on-a-chip", um so chemische und biochemische Analysemethoden auf der Mikrometer- oder sogar auf der Nanometerskala zu integrieren.
Eine entscheidende Voraussetzung für solche winzigen Labors sind geeignete Mikrokompartimente. Genau wie die Reagenzgläser in einem makroskopischen Labor sollten auch die Mikrokompartimente bestimmte Eigenschaften haben: Sie müssen eine wohl definierte Geometrie besitzen, mit der man die genaue Menge der enthaltenen Flüssigkeit messen kann, sie müssen unterschiedliche Mengen an Flüssigkeiten aufnehmen können und sie sollten so gestaltet sein, dass man Flüssigkeit problemlos hinzufügen oder entfernen kann.
Ein vielversprechendes Design-Prinzip für Mikrokompartimente basiert auf offenen, also direkt zugänglichen Oberflächenkanälen, die auf feste Substrate mittels photolithographischer Methoden aufgebracht werden. Die einfachste Kanalgeometrie, die mit diesen Verfahren hergestellt werden kann, hat einen rechteckigen Querschnitt. Breite und Tiefe solcher rechteckiger Kanäle lassen sich mit den verfügbaren Methoden zwischen 100 Nanometern und einigen Mikrometern exakt einstellen. Doch viele Flüssigkeiten dringen auf Grund starker Kapillarkräfte gar nicht in diese Oberflächenkanäle ein.
Rasterkraftmikroskopie-Experimente, die an der University of California in Santa Barbara durchgeführt wurden, machten deutlich, dass Flüssigkeiten an Oberflächenkanälen eine große Vielfalt verschiedenster Benetzungsmorphologien ausbilden können. Diese reichen von lokalisierten Tröpfchen bis zu langen, ausgedehnten Filamenten, die manchmal mit dünnen Flüssigkeitskeilen an den unteren Kanalecken verbunden sind. Bei der Durchführung dieser Experimente war allerdings nicht klar, wie man eine bestimmte Benetzungsmorphologie kontrolliert einstellen könnte, denn es fehlte eine systematische Theorie für die Abhängigkeit dieser Morphologie von den Materialeigenschaften und dem Systemaufbau
Abbildung 2
Abb. 2: Morphologiediagramm mit sieben verschiedenen Flüssigkeitsformen, die durch das Verhältnis von Kanaltiefe zu Kanalbreite und den Kontaktwinkel des Substrates bestimmt werden. Die Flüssigkeit bildet lokalisierte Tröpfchen (Tr), ausgedehnte Filamente (Fi) sowie dünne Keile (Ke) aus. Mit Hilfe dieses Diagramms lassen sich die Benetzungsmorphologien von beliebigen Flüssigkeiten für Oberflächenkanäle im Mikrometerbereich vorhersagen.
Bild: Max-Planck-Institut für Kolloid- und Grenzflächenforschung
Insgesamt lassen sich sieben verschiedene Flüssigkeitsmorphologien unterscheiden, die aus lokalisierten Tröpfchen, ausgedehnten Filamenten und dünnen Keilen an den unteren Kanalecken aufgebaut sind. Der für Anwendungen in der Mikro- und Nanofluidik wichtigste Bereich ist der stabiler Flüssigkeitsfilamente. Diese bilden sich nur aus, wenn man die Kanalgeometrie, wie sie durch das Seitenverhältnis des Kanalquerschnitts beschrieben wird, genauestens auf den Kontaktwinkel abstimmt. Diese Filamente tolerieren sogar einen relativ großen Überdruck. So kann ein Wasserfilament in einem engen Kanal mit einer Breite von 100 Nanometern Überdrücken von bis zu 15 atm widerstehen.
Die neu erarbeitete Theorie ist von universeller Bedeutung
Bei elektrisch leitenden Flüssigkeiten wie Wasser lässt sich der Kontaktwinkel in kontrollierter Weise verändern, beispielsweise durch Anlegen einer äußeren elektrischen Spannung (Elektrobenetzung). Alternativ dazu wurden kürzlich mit molekularen Monolagen beschichtete Substratoberflächen entwickelt, deren molekularer Aufbau durch Lichteinfall, Temperatur oder elektrisches Potential geschaltet werden kann. Wenn der Kontaktwinkel durch solche Verfahren variiert wird, kann man eine kontrollierte Längenänderung der Flüssigkeitsfilamente herbeiführen: Die Filamente dringen bei Erniedrigung des Kontaktwinkels in die Oberflächenkanäle ein und ziehen sich bei Erhöhung des Kontaktwinkels wieder aus diesen zurück.
Diese Forschungsergebnisse sind ein aufschlussreiches Beispiel für die enge Verzahnung von theoretischer und experimenteller Grundlagenforschung und Technologieentwicklung im Mikro- und Nanobereich: Offene Systeme mit direkt zugänglichen Oberflächenkanälen lassen sich in der Mikro- und Nanofluidik einsetzen, aber ihre Konstruktion erfordert eine Feinabstimmung von Kanalgeometrie und Benetzbarkeit des Substratmaterials. Diese Einschränkung ist eine direkte Konsequenz der starken Kapillarkräfte, die im Mikro- und Nanobereich vorherrschen und lässt sich mit den Methoden der theoretischen Physik quantitativ formulieren.
[KS/AT]
Originalveröffentlichung:
Ralf Seemann, Martin Brinkmann, Edward J. Kramer, Frederick F. Lange, and Reinhard Lipowsky
Wetting morphologies at microstructured surfaces
PNAS 2005 102: 1848-1852; 8 February 2005
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Welche Entdeckungen gibt es, wenn Untersuchungen in immer kleineren Dimensionen durchgeführt werden?
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