25.08.2014
Poröses Gold als Nanopumpe für Elektrolyte
Schwämme saugen Flüssigkeiten auf - Gold auch. Wissenschaftler der Technischen Universität Hamburg (TUHH) und des Helmholtzzentrums Geesthacht haben erstmals das Aufsaugverhalten von nanoporösem Gold für Flüssigkeiten untersucht. Dabei haben die Forscher um Professor Patrick Huber und Professor Jörg Weissmüller im Sonderforschungsbereich 986 "Maßgeschneiderte Multiskalige Materialsysteme" ein völlig neuartiges Phänomen entdeckt.
Wenn sie an den Metallschwamm ein Kabel anklemmen und eine elektrische Spannung anlegen, können sie das Aufsaugen von Flüssigkeiten kontrolliert an- und wieder abschalten. Die Entdeckung könnte wegweisend sein für zukünftige Anwendungen miniaturisierter Pumpen in Bausteinen der Mikro- und Nanofluidik, beispielsweise in implantierten Insulinpumpen oder in Blutanalysen mit nur einem Blutstropfen.
Die Oberflächenspannung, die sogenannte Kapillarität, zählt zu den dominierenden Kräften, die auf Flüssigkeiten einwirken. Sie führt beispielsweise dazu, dass Schwämme Flüssigkeiten aufsagen. Dieses Tränken eines porösen Mediums kann auf kleinen Skalen besonders gut dazu benutzt werden, um Flüssigkeiten zu pumpen. Der Vorgang ist jedoch durch statische, nur schwer zu verändernde Größen, wie die Geometrie des porösen Mediums, die Kapillarität und die Fließfähigkeit der Flüssigkeit bestimmt. Dies erschwert eine aktive, dynamische Kontrolle des Prozesses.
Die Forscher vom Institut für Werkstoffphysik und -technologie der TUHH zeigen nun für nanoporöses Gold, dass das Tränken mit einer Flüssigkeit durch elektrische Veränderung der Oberflächenspannung ein- und ausgeschaltet werden kann. Indem kleine elektrische Steuerungsspannungen an den metallischen Schwamm angelegt werden, kann das Aufsagen einer Flüssigkeit beschleunigt, verlangsamt oder gestoppt werden. Gleichzeitig zeigen die Messungen des Flüssigkeitsstroms und des elektrischen Stroms in dem Nanoschwamm, dass einfache Skalengesetze für das Aufsaugen der Flüssigkeit und für den elektrischen Ladungstransport durch das poröse Gold gelten.
Aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit sowie seiner offenen Pfade für Flüssigkeits- und ionischen Transport kann nanoporöses Gold genutzt werden, um steuerbare Nanopumpen oder Durchflusssensoren für kleinste Mengen von Flüssigkeiten zu bauen. Solche Bauelemente sind unter anderem für das "Lab-on-a-Chip"-Konzept, bei dem ein komplettes Labor auf einer Chipkarte Platz findet, von großer Bedeutung.
Quelle: Technische Universität Hamburg