Auszeichnung für wesentlichen Beitrag zum Verständnis der Mikro- und Nanofluidik auf Chip-Labors

Bei der erstmaligen Vergabe des Krautz-Preises entschied die Kommission für Dr. Thomas Frommelt. Die Augsburger Universitätsstiftung und das Institut für Physik würdigen mit dieser Auszeichnung Frommelts "hervorragende Arbeiten zum Mischverhalten mikrofluidischer Flüssigkeitsmengen auf Biochips und deren exakte Modellierung auf Basis eines hoch effizienten Algorithmus". Konkret ist es Frommelt in seiner summa cum laude-Dissertation gelungen, wesentlich zum Verständnis der Mikro- und Nanofluidik auf Chip-Labors beizutragen und zugleich eine Vielzahl technisch-physikalischer Probleme zu lösen. Die Durchmischung kleiner Flüssigkeitsmengen, die ein entscheidendes Problem auf dem Weg zum Chip-Labor darstellt und die bislang nur diffusiv bzw. über den Umweg sehr komplexer Geometrien möglich war, kann aufgrund des von Frommelt entwickelten Verfahrens wesentlich schneller und einfacher erfolgen.

Dominanz von Oberflächenspannung und Benetzungsphänomenen

Kleinste Flüssigkeitsmengen verhalten sich völlig anders als die im täglichen Leben gewohnten makroskopischen Fluide. Während man für seinen Kaffee z. B. eine Tasse braucht, stabilisieren sich kleinste Tröpfchen durchaus von selbst, wie der Blick auf eine betaute Wiese oder ein betautes Spinnennetz zeigt. Der Grund für das unterschiedliche Verhalten kleiner und großer Flüssigkeitsmengen liegt in der unterschiedlichen Wichtigkeit der auftretenden Kräfte. Während makroskopische Flüssigkeitsmengen vornehmlich den Gesetzen der Schwerkraft und der Trägheit unterliegen, dominieren bei mikrofluidischen Mengen die Oberflächenspannung und Benetzungsphänomene.

Hindernis auf dem Weg zum Chip-Labor

Auf der Nanoliterskala erscheinen Flüssigkeiten deswegen zäh wie Honig. Dies hat weitreichende Konsequenzen, wenn man mikrofluidische Flüssigkeitsmengen pumpen, bewegen oder mischen will, denn eine effektive Bewegung und besonders eine effektive Durchmischung kleinster Flüssigkeitsmengen erweisen sich aufgrund die "Zähigkeit" als schier unmöglich. Und dies wiederum ist ein ganz erhebliches Hindernis auf dem Weg zum sogenannten Chip-Labor, an dessen Realisierung weltweit intensiv geforscht wird. Denn wie von ihren elektronischen Geschwistern, den Mikrochips, erhofft man sich von programmierbaren Miniaturlabors entscheidende Fortschritte in der Mikrobiologie und in der Gentechnik, in der Pharmazie, in der Chemie sowie in der medizinischen Forschung und Diagnostik. Auf einem Chip-Labor nämlich können winzigste Stoffmengen automatisch analysiert und diversen Tests unterzogen werden. Z. B. Eine schnelle Diagnose bereits in der Arztpraxis - ohne den Zeit raubenden Umweg durch ein Großlabor - rückt mit der Entwicklung solcher Chip-Labore in greifbare Nähe. Aber auch für viele andere Anwendungen bieten sich Biochips an: Um etwa Mikroben und Viren zu identifizieren werden sie heute schon in der Lebensmittelkontrolle und zur Prüfung der Wasserqualität eingesetzt.

Mischung mit nanoskopisch kleinen Erdbeben auf dem Chip

Frommelt hat nun einen neuartigen Pump- und Mischmechanismus entwickelt, der der hinderlichen "Zähigkeit" kleinster Flüssigkeitsmengen gewissermaßen keine Chance lässt und somit einen großen Schritt in Richtung Chip-Labor darstellt. Dieser Mechanismus beruht auf der Wechselwirkung zwischen nanoskopisch kleinen Erdbeben - sogenannten akustischer Oberflächenwellen - und ebenso nanoskopisch kleinen Flüssigkeitsmengen auf dem Chip. Wie ein Ultraminiatur-Tsunami durchwirbeln und bewegen diese Nanobeben die winzigen Tröpfchen und Flüssigkeitsfilme. Die Beben werden von Mikroelektroden angeregt, an die ein Hochfrequenzsignal angelegt wird. Verwendet man zwei solcher Epizentren, so gelingt es sogar, eine quasi chaotische Mischung zu erreichen, die besonders schnell zum gewünschten Ergebnis führt.

Auch ein wichtiger Beitrag zur Beschreibung der Gesetze der Mikro- und Nanofluidik

Über diesen Fortschritt im Bereich der technischen Anwendung hinaus ist es dem Experimentalphysiker Frommelt gelungen, durch die Entwicklung ausgefeilter numerischer Algorithmen auch beim theoretischen Verständnis einen gewaltigen Schritt vorwärts zu machen und einen wichtigen Beitrag zur Beschreibung der Gesetze der Mikro- und Nanofluidik zu leisten, die sich wieder aufgrund der gegenüber der "normalen" Makrowelt deutlich veränderten Randbedingungen als sehr schwierig erweist. Es gibt derzeit praktisch noch keine Möglichkeit, das Verhalten kleinster Flüssigkeitsmengen z. B. auf einem Biochip ab initio zu erklären, und auch bei Modellierung und Theorie sind dementsprechend viele Fragen offen. Mit seinem "raytracing-Verfahren" hat Frommelt im Rahmen seiner Forschungen nun auch ein Simulationswerkzeug zur Lösung vieler dieser offenen Fragen entwickelt, mit dem ein handelsüblicher PC die Aufgabe der hydrodynamischen Simulation komplexer mikrofluidischer Strömungen, die bislang kaum zu bewältigen schien, in unerreicht kurzer Zeit schafft.

Quelle: idw / Universität Augsburg