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Wegweisende Lichtstrahlen

Wasser lässt sich mit Pumpen, Strom oder Unterdruck bewegen. Doch amerikanische Physiker schafften es nun, kleinste Wassertropfen sogar mit einem ultravioletten Lichtstrahl anzutreiben. Dabei konnten sie über eine nanostrukturierte Oberfläche den exakten Fließweg der Tropfen mit einer UV-Lampe bestimmen. Eine Anwendung könnte diese Entdeckung in kleinen Analysechips finden, bei denen besonders empfindliche Substanzen mit Wasser in Verbindung gebracht werden sollen. Das Experiment beschreiben die Wissenschaftler im Fachblatt Journal of Physical Chemistry B.

„Mit einer Oberfläche, die im Nanobereich aufgeraut wird, lösten wir das Problem, Wasser in mikroskopischen Mengen durch Licht anzutreiben“, erklärt Tom Picraux von der Arizona State University in Tempe. Dazu deponierten die Forscher etwa 20 bis 50 Milliardstel Meter kleine Nanodrähte aus Silizium auf einer Oberfläche aus dem gleichen Material. Anschließend beschichteten sie diese Strukturen mit einer Atomlage so genannter photochromatischer Spiropyran-Moleküle.

Ohne UV-Licht stoßen diese Moleküle Wasser ab, so dass die Tropfen über ein als „Lotus-Effekt“ bekanntes Phänomen schlicht abperlen. Bei Bestrahlung mit Licht (Wellenlänge: 366 Nanometer) verändern die Moleküle jedoch ihre Struktur geringfügig und werden dadurch hydrophil: Sie ziehen das Wasser also an. Auf Knopfdruck verändert sich so mit dem Licht der Winkel zwischen der nanostruktuierten Siliziumschicht und der Oberfläche des Wassertropfens um exakt 23 Grad. Dieses Gefälle reicht aus, um den Tropfen in Bewegung zu versetzen. Er rutscht quasi immer weiter in Richtung der lichtbetrahlten, wasserliebenden Spiropyran-Moleküle.

Zwar tritt auch ohne die Strukturierung mit den Silizium-Nanodrähten der gleiche Wechsel zwischen hydrophob und hydrophil auf, doch bei einer atomar glatten Oberfläche ist die Winkeländerung nicht groß genug, um den Tropfen wandern zu lassen. Ohne direkte UV-Beleuchtung gehen die Spiropyran-Moleküle wieder in ihren Ursprungszustand über. So kann ein Tropfen beliebig oft hin und her über eine präparierte Fläche geleitet werden.

Winzige, so genannte Lab-on-Chip-Systemen drängen in zunehmend mehr Labore, in denen chemische Analysen durchgeführt und neue, medizinische Wirkstoffe gesucht werden. Die dabei verwendeten Substanzen sind jedoch oft sehr empfindlich. Daher wäre der neue Lichtantrieb aufgrund seiner schonenden Anwendung eine gute Alternative zu mechanischen Pumpvorgängen mit Unterdruck oder gar elektrischen Feldern.

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Jan Oliver Löfken
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