Vibrierende Luftblasen ziehen sich an

Stuttgart - Elektrische Ladungen, magnetische Anziehung und sogar Lichtwellen in optischen Pinzetten helfen, kleinste Objekte ohne direkte Berührungen anzuordnen. Stuttgarter Physiker gelang dieses Kunststück nun sogar mit Schallwellen, die winzige Luftblasen in Schwingung versetzten. Wie sie in der Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ berichten, könnte dieses Phänomen weiter entwickelt und in Produktionsanlagen oder in der Robotik eingesetzt werden.

Mit dem Druck von Schallwellen lassen sich schon seit einigen Jahren winzige Plastikkügelchen oder Bakterien quasi durch eine Flüssigkeit schupsen. Doch für größere Objekte sind die dabei wirkenden Kräfte zu klein. Dieses Problem umgingen Athanasios Athanassiadis und seine Kollegen vom Max Planck Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart mit einem pfiffigen Experiment, bei dem Dutzende kleiner Luftblasen durch Schallwellen mit einer Frequenz von 3300 Hertz in Schwingung versetzt wurden. Dank dieser Schwingungen bildeten sich Druckdifferenzen innerhalb der Blasen aus. Danach wirkte zwischen den Blasen eine anziehende, so genannte Bjerknes-Kraft, um die Druckdifferenzen möglichst schnell wieder auszugleichen. „Diese Anziehungskräfte können genutzt werden, um Objekte von der Größe weniger Zentimeter zu bewegen“, sagt Athanassiadis.

Konkret griffen die Forscher zu zwei flachen Scheiben aus einem flexiblen Silikonkunststoff. In diese Scheiben etwa von der Größe einer Ein-Cent-Münze formten sie mit einer lithografischen Methode ein symmetrisches Areal aus 121 zylindrischen Mulden – jede mit einem Durchmesser von einem knappen Drittel Millimeter. In jede dieser Mulden konnte eine Luftblase fixiert werden während die Scheibe in einer Petrischale mit ihrer Muldenseite nach unten auf einer Wasseroberfläche schwamm. Die zweite Scheibe, ebenfalls mit 121 Mulden für kleine Luftblasen versehen, deponierten die Forscher unter Wasser am Boden der Petrischale.

Danach setzten die Forscher die Luftblasen durch Schallwellen in Schwingung und es bildeten sich Anziehungskräfte zwischen den gegenüberliegenden Luftblasen aus. Innerhalb von ein bis zwei Sekunden bewegte sich die schwimmende Muldenscheibe schnell direkt über die zweite Scheibe am Boden und verharrte genau über dieser. In einem zweiten Experiment ordneten die Forscher die Mulden und damit die Luftblasen asymmetrisch an. Abermals wurde die schwimmende Scheibe über die Scheibe am Boden gezogen. Doch diesmal verharrte sie nicht an einer Position, sondern drehte sich wegen der unregelmäßig wirkenden Anziehungskräfte über der Bodenscheibe.

„Wir waren sehr überrascht, wie stark der Effekt der Luftblasen war“, sagt Athanassiadis. Er ist davon überzeugt, dass dieser Effekt ein spannendes Potenzial für neue Anwendungen in der Mikrorobotik oder in Produktionsprozessen aufweise. In weiteren Versuchen wollen die Forscher überprüfen, wie sich die Anordnung der Luftblasen und deren Größe auswirken könnte. Dabei haben sie auch kleinere Objekte im Fokus, um diese über die Anziehungskräfte zwischen den Luftblasen kontrolliert anzuordnen.