Ein spiralförmiger Kanal macht Wasser zum Miniaturmotor
Ein 3D-gedruckter Spiralkanal wandelt eine Auf-und-ab-Bewegung in Rotation um und verdrillt damit Fasern von nur 10 µm bis 20 µm.
Mikromotor mit Wasserantrieb: Im durchsichtigen, 3D-gedruckten Bauteil dreht sich der schwebende „Schwimmer“ (rot-blau markiert) an der Wasseroberfläche.
Foto: Cheng Zeng, SINANO
Ein Bauteil bewegt sich nur auf und ab. Trotzdem dreht sich ein kleiner Schwimmer nach jedem Zyklus ein Stück weiter in dieselbe Richtung. Möglich macht das ein spiralförmiger Kanal, der Strömungen an einer Wasseroberfläche gezielt in ein Drehmoment umwandelt.
Entwickelt hat das System ein internationales Forschungsteam mit Beteiligung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), des Suzhou Institute of Nano-tech and Nano-bionics (SINANO), der Dalian University und der Westlake University. Die Forschenden sprechen von einer kapillaren Ratsche. Ihre Ergebnisse haben sie in der Fachzeitschrift „Science Advances“ veröffentlicht.
Ganz ohne Energiezufuhr funktioniert der Aufbau allerdings nicht. Ein äußerer Antrieb muss das 3D-gedruckte Bauteil schnell nach oben und unten bewegen. Wasseroberfläche und Kanalgeometrie übernehmen eine andere Aufgabe: Sie wandeln diese wechselnde Bewegung in eine schrittweise Rotation um. Elektrische oder magnetische Felder müssen dabei nicht direkt auf den Schwimmer wirken. Auch einen chemischen Treibstoff benötigt er nicht.
„Wir konnten zeigen, dass sich Bewegung im Kleinen ganz ohne Chemie, Strom oder Magnetfelder steuern lässt – allein über die Kräfte an einer Wasseroberfläche“, sagt Professor Jan G. Korvink vom Institut für Mikrostrukturtechnik des KIT. Das eröffne einen einfachen und vielseitigen Weg, um feinste Strukturen gezielt zusammenzusetzen.
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Kapillarkräfte bringen den Schwimmer in Position
Das zentrale Bauteil besitzt einen innen liegenden Kanal, dessen Querschnitt sich über die Höhe spiralförmig verdreht. In seiner Mitte befindet sich ein kleiner Schwimmer an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft. Zwischen Schwimmer und Kanal besteht keine feste mechanische Verbindung. Stattdessen bringen Kapillarkräfte das Objekt in bevorzugte Positionen.
Wird der Kanal langsam angehoben, dreht sich der Schwimmer zunächst in eine Richtung. Beim anschließenden Absenken bewegt er sich jedoch nahezu vollständig zurück. Nach einem kompletten Zyklus bleibt daher kaum eine Nettodrehung übrig.
Bei höherer Geschwindigkeit ändert sich das Verhalten. Dann entstehen stärkere Strömungen entlang der Wasseroberfläche. Sie beeinflussen das kapillare Drehmoment beim Anheben anders als beim Absenken. Die beiden Bewegungsschritte verlaufen dadurch nicht länger spiegelbildlich.
Nach jedem Zyklus bleibt ein kleiner Drehwinkel zurück. Wiederholt sich die Auf-und-ab-Bewegung, summieren sich diese Winkel zu einer gerichteten Rotation. Der Vorgang ähnelt einer mechanischen Ratsche, die eine Bewegung in eine Richtung zulässt, den Rücklauf aber begrenzt. Eine Sperrklinke oder ein Zahnrad braucht der Aufbau dafür nicht.
Warum erst höheres Tempo eine Drehung erzeugt
Die Geschwindigkeit entscheidet darüber, ob der Schwimmer lediglich pendelt oder sich dauerhaft weiterdreht:
| Langsame Bewegung | Schnelle Bewegung |
| Der Schwimmer dreht sich beim Anheben in eine Richtung. | Stärkere Strömungen entstehen an der Wasseroberfläche. |
| Beim Absenken dreht er sich nahezu vollständig zurück. | Die Strömung verändert das Drehmoment beim Anheben und Absenken unterschiedlich. |
| Nach einem Zyklus bleibt kaum ein Drehwinkel übrig. | Nach jedem Zyklus bleibt eine kleine Nettodrehung zurück. |
| Es entsteht keine dauerhafte Rotation. | Die Drehwinkel summieren sich zu einer gerichteten Rotation. |
Strömungssimulationen zeigen, was dabei im Inneren des Kanals geschieht. Bei langsamer Bewegung dominieren weitgehend reversible Kapillarkräfte. Bei höherem Tempo verstärkt die Grenzflächenströmung das kapillare Drehmoment während eines Bewegungsschritts, während sie ihm beim entgegengesetzten Schritt teilweise entgegenwirkt.
Es entsteht eine Hysterese: Aufwärts- und Abwärtsbewegung folgen nicht mehr exakt demselben physikalischen Ablauf. Damit wird die Zeitumkehrsymmetrie gebrochen. Aus einem einfachen Hin und Her entsteht eine gerichtete Rotation.
„In der Simulation konnten wir genau nachvollziehen, wie die Strömung bei hoher Geschwindigkeit die Symmetrie der Bewegung bricht“, sagt Professor Yongbo Deng vom KIT. „Genau dieser Bruch macht aus einem Hin und Her eine gerichtete Drehung.“
Geometrie bestimmt die Drehrichtung
Die Wirkung tritt nicht nur bei einer einzigen Form auf. Das Team untersuchte unter anderem runde, quadratische und dreieckige Schwimmer sowie verschiedene Kanalquerschnitte. Bei fast allen Kombinationen entstand eine Ratschenbewegung. Eine wesentliche Ausnahme bildete ein Kanal mit kreisförmigem Querschnitt.
Über die Steigung der Spirale und die Höhe des Kanals lassen sich Drehwinkel und Drehmoment beeinflussen. Auch die Drehrichtung ist nicht zufällig. Spiegelten die Forschenden die Geometrie oder änderten sie den Drehsinn der inneren Spiralstruktur, konnten sie die Rotation umkehren.
Die gewünschte Bewegungsrichtung wird damit bereits durch die Konstruktion des Bauteils vorgegeben. Ein separates Steuerungs- oder Regelsystem ist dafür nicht erforderlich.
Ratschenwirkung bleibt beim Verkleinern erhalten
In den Versuchen verwendete das Team unter anderem runde Schwimmer mit Durchmessern zwischen 3 und 13 mm. Anschließend verkleinerten die Forschenden den ursprünglichen Aufbau auf 30 % seiner Größe und kombinierten ihn mit einem Schwimmer von 2 mm Durchmesser. Auch dabei blieb die gerichtete Rotation erhalten.
Ergänzende Versuche sollten zeigen, ob der Effekt reproduzierbar auftritt. Dazu testete das Team zwei baugleiche Systeme über jeweils 100 Bewegungszyklen. Ein industrieller Lebensdauernachweis ist das nicht. Die Tests zeigen jedoch, dass die Ratschenwirkung nicht nur in einem einzelnen Versuch auftrat.
Die kapillare Ratsche in Zahlen
- Kleinster getesteter Schwimmer: 2 mm Durchmesser
- Weitere untersuchte Schwimmer: 3 bis 13 mm Durchmesser
- Faserdurchmesser: etwa 10 bis 20 µm
- Fasern im gefertigten Bündel: 16
- Geschätztes Drehmoment: rund 10⁻⁸ Nm
- Reproduzierbarkeitstest: jeweils 100 Zyklen mit zwei baugleichen Systemen
- Energiezufuhr: äußere Auf-und-ab-Bewegung des Bauteils
- Drehmomentübertragung: über Kapillarkräfte und Strömungen an der Wasseroberfläche
16 Seidenfasern werden zu einem Bündel
Anschließend setzte das Team die Rotation ein, um empfindliche Seidenfasern zu verdrillen. Die einzelnen Fasern hatten einen Durchmesser von nur etwa 10 bis 20 µm.
Das hierarchisch aufgebaute Bündel entstand in zwei Schritten:
- Jeweils vier einzelne Fasern wurden gegen den Uhrzeigersinn zu einem Strang verdrillt.
- Vier dieser Stränge drehten die Forschenden anschließend in der Gegenrichtung zusammen.
Das Ergebnis war ein mehrlagiges Bündel aus insgesamt 16 Fasern.
Solche verdrillten Strukturen sind beispielsweise von Litzendrähten, Seilen und chirurgischem Nahtmaterial bekannt. Im Mikrometerbereich stoßen klassische Flecht- und Zwirnmaschinen jedoch an Grenzen. Mechanische Greifer und hohe Zugspannungen können die dünnen Fasern beschädigen oder zerreißen.
Die kapillare Ratsche überträgt das Drehmoment dagegen ohne Welle, Zahnrad oder direkten mechanischen Eingriff zwischen Kanal und Schwimmer. Die Fasern selbst müssen weiterhin mit den rotierenden Elementen verbunden werden. Vollständig berührungslos ist das Herstellungsverfahren daher nicht.
Der Vorgang besitzt zudem eine natürliche Begrenzung. Je stärker die Fasern verdrillt werden, desto größer wird ihr mechanisches Gegenmoment. Sobald es das Drehmoment der Ratsche ausgleicht, stoppt die weitere Drehung. Dadurch soll verhindert werden, dass die Fasern zu stark verdrillt und beschädigt werden.
Drehmoment von etwa 10⁻⁸ Newtonmetern
Das erzeugte Drehmoment liegt nach Schätzung des Forschungsteams in einer Größenordnung von 10⁻⁸ Nm. Damit ist es deutlich kleiner als das Drehmoment konventioneller Elektromotoren, aber größer als das typischer bakterieller Flagellenmotoren.
Für den Antrieb makroskopischer Maschinen ist dieser Wert viel zu gering. Für das kontrollierte Bewegen und Bearbeiten empfindlicher Mikrostrukturen kann der Bereich jedoch interessant sein.
Als mögliche Einsatzfelder nennen die Forschenden:
- hochfrequente, verlustarme Mikro- und Nanolitzen, etwa für Rechenzentren,
- multifunktionales chirurgisches Nahtmaterial,
- verdrillte Faserkonstruktionen für künstliche Muskeln,
- mikrofluidische Mischer,
- rheologische Messsysteme im kleinen Maßstab,
- Systeme zur Energiegewinnung an Grenzflächen.
Nachgewiesen hat die Studie bislang den physikalischen Ratschenmechanismus und die Herstellung hierarchisch verdrillter Faserbündel. Die genannten technischen und medizinischen Anwendungen sind mögliche Entwicklungsziele – noch keine einsatzbereiten Produkte.
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