Die Idee könnte einem Forscher in der Badewanne oder beim Abwaschen gekommen sein: Zieht man den Stopfen aus dem Abfluss, entstehen oft Strudel, die das, was in ihren Sog gelangt, in das Abwasserrohr hinabziehen. Die Kraft solcher Wirbel ausgenutzt haben nun Forscher aus der Gruppe von Bradley Nelson, Professor am Institut für Robotik und Intelligente Systeme und Leiter des Multi-Scale-Robotics Lab. Nur haben die Wissenschaftler die Strudel nicht im Abwaschbecken erzeugt, sondern in einem hauchdünnen Flüssigkeitsfilm unter dem Mikroskop.

Um die Wirbel zu generieren, verwendeten die Forscher rotierende Nickel-Nanodrähte von gerade mal 200 Nanometern Durchmesser und 13 Mikrometern Länge. Ein schwaches kreisendes Magnetfeld war nötig, um den Nanodraht rotieren zu lassen. Dadurch entstand ein Wirbel mit einem Durchmesser von 20 Mikrometern, dreimal dünner als der Durchmesser eines menschlichen Haars.

Wirbel saugt Objekt an

Zur Erzeugung der Strudel brauchten die Wissenschaftler auch Rotoren aus zwei Mikrokügelchen von je einem Mikrometer Durchmesser, die sich selbst organisierend zu einem Duplett zusammenfügten. Beide Rotorenarten – Nanodraht und Duplett - erzeugten Wirbel, die genügend Kraft hatten, um kleine Objekte einzusaugen und festzuhalten.

Die Miniwirbel sind jedoch nicht stationär, sondern liessen sich beliebig auf einer Fläche verschieben, indem die Forscher das Magnetfeld, welches die Rotoren antreibt, umorientieren. Damit lässt sich die Rotationsebene des Nanodrahtes von horizontal auf vertikal verschieben und die Rotoren werden nahe der Ebene entlang angetrieben. Dieser Antriebsmechanismus funktioniert auch entlang von Wänden, so dass die Wissenschaftler den Wirbel und das darin gefangene Objekt über eine Stufe bewegen konnten.

Materialeigenschaft nebensächlich

Mit dieser Technik konnten die ETH-Forscher zahlreiche Wirbel erzeugen und damit mehrere Objekte gleichzeitig kontrollieren. Ein weiterer grosser Vorteil dieser Methode ist, dass die Strudel Objekte unabhängig von ihren Materialeigenschaften festhalten können. Der Gegenstand braucht weder bestimmte magnetische noch elektrische oder optische Eigenschaften zu haben.

Brad Nelson sieht denn diese Arbeit auch als ein Durchbruch. «Die Forschung ist seit längerem daran interessiert, mikroskopisch kleine Objekte wie Zellen individuell manipulieren zu können. Wir können nun zum ersten Mal aufzeigen, dass dies unabhängig von Materialeigenschaften möglich ist.»

Die kontrollierte Handhabung von winzigen Objekten hat eine lange Geschichte. Schon 1922 schlug Alfred Heilbronn vom Botanischen Institut der Universität Münster vor, magnetische Felder und Feldgradienten einzusetzen, um mit magnetischen Kügelchen kleinste Strukturen innerhalb von Zellen zu manipulieren. In den 70er Jahren des 20. Jahrhunderts wurden optische «Fallen» erfunden, die mit Laser arbeiteten. Seit einiger Zeit verwenden Wissenschaftler auch die Elektrophorese, die auf elektrischen Feldern aufbaut. Damit können unterschiedlich stark geladene und verschieden grosse Moleküle aufgetrennt werden. Laser oder elektrische Felder haben aber den Nachteil, dass sie biologische Probematerialien schädigen können.

Biologische Proben bleiben intakt

Die neue Methode mit den Miniwirbeln kennt diesen Nachteil nicht. Biologische Proben bleiben intakt. Als Anwendung kommen für Bradley Nelson daher in erster Linie zellbiologische Untersuchungen, insbesondere der Erforschung von Zelleigenschaften, in Fragen, bei denen man individuelle Zellen betrachten und manipulieren möchte. Die mit den Miniwirbeln erzeugten Strömungen und minimsten Kräfte reichen potenziell aus, um beispielsweise das Wachstum von Muskelzellen zu beeinflussen oder rote Blutkörperchen zu verformen, was einen Einfluss auf deren chemische Funktionen hat. Die neue Methode lässt auch paralleles Arbeiten an grossen Arbeitsvolumen zu, ohne dass der experimentelle Aufbau verändert werden muss.

Literaturhinweis

Petit T, Zhang L, Peyer KE, Kratochvil BE & Nelson BJ. Selective Trapping and Manipulation of Microscale Objects Using Mobile Microvortices. Nano Letters, doi:10.1021/nl2032487