Winzige Partikel halten Wasserstrahl länger stabil

Winzige, weiche Polymerpartikel - sogenannte Mikrogele - können dabei helfen, extrem dünne Flüssigkeitsstrahlen zu stabilisieren. Wie dies funktioniert, zeigt eine Studie unter Leitung von Forschenden der TU Darmstadt. Die Erkenntnisse könnten unter anderem für die Entwicklung nadelfreier medizinischer Injektionssysteme interessant sein.

Mikrogele sind weniger als einen Mikrometer große, weiche Polymerpartikel. Sie können sich an der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser anlagern und dort die Oberflächenspannung der Flüssigkeit verringern.

Damit ähneln sie in ihrer Wirkung herkömmlichen oberflächenaktiven Substanzen - sogenannten Tensiden -, wie sie zum Beispiel oft in Seife, Spülmittel oder Waschmittel zu finden sind. Anders als viele klassische Tenside sind die in der Studie eingesetzten Mikrogele jedoch ungiftig und unterscheiden sich deutlich in ihrem Wechselwirkungsmechanismus mit der Flüssigkeit.

Für ihre Versuche erzeugten die Wissenschaftler extrem dünne Wasserstrahlen mithilfe von akustischen Oberflächenwellen. Dazu wurde ein Wassertropfen verwendet, der die Mikrogele enthielt. Ein speziell gefertigter Chip erzeugte Wellen mit einer Frequenz von rund 64 Megahertz, durch die aus dem Tropfen ein Flüssigkeitsstrahl mit einem Durchmesser von etwa 200 Mikrometern entstand. Eine Hochgeschwindigkeitskamera zeichnete die Entstehung und Ausdehnung des Strahls auf.

"Dabei zeigte sich ein überraschender Effekt: Obwohl die Mikrogele selbst nur rund 700 Nanometer groß sind, können ihre Eigenschaften die Stabilität eines Flüssigkeitsstrahls bestimmen, der sich über einen Zentimeter erstreckt", erklärt Dr. Amin Rahimzadeh vom Institut für Physik Kondensierter Materie am Fachbereich Physik der TU Darmstadt. "Je weicher die Partikel waren, desto länger blieb der Wasserstrahl stabil."

Festigkeit der Partikel als wichtiger Faktor

Entscheidend ist offenbar, wie stark sich die Mikrogele verformen können. Die Forschenden stellten die Festigkeit der Partikel bereits bei deren Herstellung gezielt ein, indem sie die Vernetzung des sogenannten Polymergerüsts veränderten, also der dreidimensionalen, porösen Struktur, die das Polymer bildet. Ein stärker vernetztes Gerüst macht die Mikrogele steifer, eine schwächere Vernetzung weicher.

Computersimulationen lieferten eine Erklärung für die Beobachtung: "An der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser können sich weiche Mikrogele leichter dehnen und verformen. Dabei bleiben sie miteinander verbunden und sorgen so dafür, dass die Oberflächenspannung niedrig bleibt. Steifere Partikel lösen sich dagegen leichter voneinander. Dadurch wird der Flüssigkeitsstrahl instabil und zerfällt früher", erklärt Dr. Suvendu Mandal vom Institut für Physik Kondensierter Materie am Fachbereich Physik der TU Darmstadt.

Reduzierung medizinischer Abfälle möglich

Die Forschenden sehen mögliche Anwendungen insbesondere bei der sogenannten nadelfreien Medikamentengabe. Dabei werden sehr dünne und schnelle Flüssigkeitsstrahlen eingesetzt, um Medikamente ohne herkömmliche Nadel durch die Haut zu bringen. Eine bessere Kontrolle der Strahlstabilität könnte nach Einschätzung des Teams dazu beitragen, solche Systeme zuverlässiger zu machen. Langfristig könnten dadurch invasive Injektionen und medizinische Abfälle durch Einwegnadeln reduziert werden.

Auch für den Tintenstrahldruck könnten die Ergebnisse von Bedeutung sein. Nach Angaben der Forschenden ist insbesondere die Untersuchung der Mikrogele unter den extrem schnellen und starken Verformungen während der Strahlbildung neu. Der Zusammenhang zwischen dem Verhalten einzelner Mikrogele an der Grenzfläche und der Stabilität eines deutlich größeren Flüssigkeitsstrahls sei erstmals untersucht worden.

Erstautorin Atieh Razavi erklärt, dass für die Beobachtung dieses Prozesses spezielle Geräte erforderlich seien, da der Vorgang weit außerhalb der menschlichen Wahrnehmung ablaufe: "Dieser Prozess der Strahlbildung läuft so schnell ab, dass er mit bloßem Auge nicht beobachtet werden kann. Dafür ist eine Hochgeschwindigkeitskamera mit einer zeitlichen Auflösung von weniger als einer Millisekunde erforderlich."

Dr. Andreas Winkler und Dr. Mehrzad Roudini vom Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden, die den akustischen Versuchsaufbau für die Experimente entwickelten, bezeichnen den beobachteten Effekt als äußerst spannend und betonen sein Potenzial für die Verbesserung zukünftiger Technologien. Ihr besonderes Interesse gilt der Optimierung der Wandler für die akustischen Wellen und der elektrischen Ansteuerung - den Komponenten, die für die Erzeugung und Steuerung der Flüssigkeitsstrahlen verantwortlich sind -, um präzisere und besser kontrollierbare Systeme für die Medikamentengabe sowie bedarfsgesteuerte Tropfenquellen zu ermöglichen.

Professorin Regine von Klitzing hebt die Bedeutung des Übergangs von Mikrogelen aus der Grundlagenforschung hin zu praktischen Anwendungen hervor. Bisherige Untersuchungen von Mikrogelen konzentrierten sich weitgehend darauf, das Verhalten einzelner Partikel oder von Partikelgruppen unter kontrollierten Bedingungen zu verstehen, sagt sie. Die neue Studie zeige, wie dieses Wissen zu realen technologischen Anwendungen beitragen könne.

Auch Professor Benno Liebchen vom Institut für Physik Kondensierter Materie am Fachbereich Physik der TU Darmstadt betont die Bedeutung der theoretischen Modellierung für das Verständnis des komplexen Phänomens: "Die Simulationen zeigen einen Mechanismus, durch den Wechselwirkungen auf der Nanoskala ein Sicherheitsnetz bilden, das weiche Grenzflächen vor dem Aufbrechen schützt - selbst in einem zentimeterlangen Flüssigkeitsstrahl."

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Quelle: Technische Universität Darmstadt