Tanzende Tröpfchen 17.07.2013, 15:50 Uhr

Per Ultraschall lassen sich kleinste Materialen gezielt steuern

Ultraschall könnte als Förderband der Zukunft für besonders empfindliche Materialien dienen. Forschern der ETH Zürich ist es gelungen, Tröpfchen per Ultraschall berührungslos zu bewegen oder miteinander zu vermischen.

Forscher der ETH Zürich haben ein Verfahren entwickelt, um kleine Gegenständer per Ultraschall zu bewegen. Dieser Zahnstocher fliegt und rotiert auf Schallwellen.

Forscher der ETH Zürich haben ein Verfahren entwickelt, um kleine Gegenständer per Ultraschall zu bewegen. Dieser Zahnstocher fliegt und rotiert auf Schallwellen.

Foto: Daniele Foresti/ETH Zürich

Über den 21 kreuzförmig angeordneten Piezolautsprechern schweben ein Körnchen Instantkaffee und ein Tröpfchen Wasser. Von scheinbar geheimnisvollen Kräften bewegt steuern sie aufeinander zu und verschmelzen zu Kaffee, kaltem allerdings.

Dieses Experiment führt Daniele Foresti von der Eidgenössischen Technischen Hochschule Zürich besonders gern vor. Es demonstriert anschaulich, was die Schweizer Wissenschaftler erdacht haben: Eine Rührmaschine, die ohne Rührwerk auskommt. Sie lässt sich, wenn sie das Laborstadium mal hinter sich hat, zum Vermischen empfindlicher Materialien nutzen, wie sie beispielsweise in der Biomedizin eingesetzt werden. Dabei ist es gleichgültig, ob die Materialien fest oder flüssig sind. Einzige Voraussetzung, sie dürfen nicht allzu schwer sein. Zahnstocher etwa lässt der Schall noch tanzen.

Forscher können kleinste Partikel per Ultraschall bewegen

Akustische Levitation heißt der Fachbegriff. Dass Schall Objekte bewegen kann, haben die meisten Menschen schon beobachtet. Staubpartikel, die vor einen Lautsprecher geraten, werden von diesem weg beschleunigt. Und Styroporstückchen tanzen auf einer Bassbox Samba, wenn diese auf dem Boden liegt. Das Neuartige der Schweizer Erfindung: Sie können Partikel nicht nur schweben lassen, sondern sie durch Veränderung des Ultraschallfeldes gezielt bewegen.

Die jeweils 15 Millimeter im Quadrat messenden, einzeln ansteuerbaren Lautsprecher strahlen den Schall nach oben ab. Über ihnen ist in einem genau festgelegten Abstand eine Reflektorplatte befestigt. Diese überträgt den Schall auf den Raum darüber. Dort entsteht ein Feld mit Knoten, an denen sich die Kraft des Ultraschalls konzentriert. Über diesen Knoten können leichte Teilchen oder Tröpfchen schweben.

Technik funktioniert mit allen Materialien

Wenn der Schalldruck der einzelnen Lautsprecher verändert wird, beginnen die Knoten und damit die dort tanzenden Teilchen zu wandern. „Wir kennen keine andere Methode oder Technologie, die den Transport und die Manipulation mehrerer Tropfen in der Luft ermöglicht”, sagt Foresti. Mehr noch: Andere Techniken, die kleine Teilchen zum Schweben bringen wie Magnetfelder oder elektrische Felder, funktionieren nur mit bestimmten Materialien. Die akustische Methode bringt alles in die Luft.

Der Zahnstocher schwebt in der Luft, getragen von Ultraschall.

Der Zahnstocher schwebt in der Luft, getragen von Ultraschall.

Foto: Daniele Foresti/ETH Zürich

In einem Experiment demonstrierten die Züricher Forscher, dass sich die Ultraschall-Levitation sogar zum Verschmelzen von Erbinformationen (DNA) und Krebszellen eignet. Beide befanden sich in winzigen Tröpfchen. Die Forscher bewegten sie aufeinander zu, sodass sie verschmolzen.

Die anschließende Analyse zeigte, dass DNA in die Krebszellen eingedrungen war. Auf die gleiche Art könnten die Erbinformationen einer lebenden Zelle manipuliert werden. Das klappt besser als mit heutigen Methoden, weil die empfindlichen biologischen Materialien nicht berührt und deshalb nicht zerstört werden.

Vorsicht bei der Wahl der Frequenzen

Die Frequenz der Schallwellen muss jedoch mit Bedacht gewählt werden, so Foresti: Wenn der Schalldruck die Oberflächenkraft einer Flüssigkeit übersteigt, wird ein Tropfen explosionsartig atomisiert.

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