Wie flüssig ist Wasser?

Paris (Frankreich) - Honig, Sirup oder Wasser unterscheiden sich wesentlich in ihrer Viskosität. Um den Grad der Zähflüssigkeit schneller und exakter bestimmen zu können, entwickelten nun französische Forscher eine elegante, neue Messmethode. Über resonante Vibrationen winziger Nanoscheiben konnten sie nicht nur die Viskosität, sondern auch die Dichte von klaren Flüssigkeiten ermitteln. Über ihre Grundlagen-Experimente, die zu genaueren Analysen in der biomedizinischen oder chemischen Forschung führen können, berichten sie im Fachblatt „Nature Nanotechnology“.

„Unsere Methode könnte bisherige Messverfahren für Dichte- und Viskositätsmessungen in Genauigkeit und Tempo um mehrere Größenordnungen überflügeln“, sagt Ivan Favero von der Arbeitsgruppe Matériaux et Phénomènes Quantiques an der Université Paris Diderot. Zusammen mit seinen Kollegen züchtete er mit epitaktischen Methoden auf einem Chip ein Areal aus kristallinen Nanoscheiben aus Galliumarsenid und Aluminiumgalliumarsenid. Gelagert auf ebenfalls filigranen Nanosäulen waren die nur 320 Nanometer dick mit Durchmessern von bis zu sechs Mikrometern. Über einen sogenannten Wellenleiter koppelten die Wissenschaftler das Infrarotlicht eines Lasers in diese Scheiben ein.

Für die Messungen tropften die Forscher auf ihren Prototypen je ein Mikroliter verschiedener transparenter Flüssigkeiten, um die Nanoscheiben völlig zu bedecken. Parallel nahmen sie über die Wellenleiter Transmissionsspektren des Laserlichts im Infrarotbereich auf. Diese Spektren zeigten Änderungen in der Lage und in der Breite der resonanten Schwingungen, die deutlich von den Eigenschaften der Flüssigkeiten abhingen. Die Empfindlichkeit dieser Messmethode reichte aus, um selbst die sehr schwachen thermischen Fluktuationen der Scheibe - Brownsche Bewegung - in Luft und in den Flüssigkeiten messen zu können.

Die Analyse der Messdaten ergab, dass die Flüssigkeiten das resonante Schwingungsverhalten der Nanoscheiben beeinflusste. So konnten Favero und Kollegen wichtige Parameter wie Viskosität, Dichte und Ausbreitungsgeschwindigkeit für Schallwellen schnell und mit hoher Genauigkeit messen. Dichteschwankungen ließen sich auf den Bruchteil eines Milligramms pro Kubikmeter und Viskositäten mit einer relativen Genauigkeit von milliardstel Bruchteilen bestimmen. „Nach unserem Wissen haben wir damit die ersten nano-optomechanischen Experimente in flüssiger Umgebung durchgeführt“, sagt Ivan Favero.

Diese Experimente, die sich noch im Status der Grundlagenforschung befinden, eröffnen neue Möglichkeiten, um Eigenschaften von Flüssigkeiten sehr schnell mit hoher Genauigkeit zu messen. Gelingt in Zukunft die Integration in kleine Lab-on-Chip-Module, könnte das Verfahren für biomedizinische Anwendungen und in der chemischen Industrie eine große Bedeutung erlangen. Die Chancen dafür stehen gut. Denn ähnliche nano-optomechanische Systeme mit winzigen schwingenden Nanohebeln werden schon heute als extrem empfindliche Waagen eingesetzt. Allerdings in einer trockenen Umgebung. Die Verfahren sind so genau, um die Masse von einzelnen Bakterien, Viren und sogar Biomolekülen exakt bestimmen zu können. Dazu werden – wie beim neuen Viskosimeter - über einen reflektierten Laserstrahl Änderungen der resonanten Schwingungsfrequenzen ermittelt.