Miniatur-Pumpe basiert auf Mikropartikeln aus Polymergel

22.08.2013 - USA

Die Miniaturisierung schreitet immer weiter voran. So gibt es beispielsweise ganze Analysensysteme oder diagnostische Systeme, die auf einem Chip Platz finden. Dafür werden miniaturisierte Analoga makroskopischer Bauteile und Apparate benötigt. Amerikanische Forscher stellen in der Zeitschrift Angewandte Chemie jetzt eine Mikro-Pumpe vor. Sie basiert auf Mikropartikeln aus einem Polymergel und startet bei Bestrahlung mit UV-Licht. Das Besondere: Das Material pumpt kontinuierlich weiter, auch wenn der Stimulus vorüber ist.

Die winzigen Pumpen, die das Team um Ayusman Sen und Scott T. Phillips von der Pennsylvania State University entwickelt haben, basieren auf Polymergel-Kügelchen von 300 µm Durchmesser, deren Oberfläche mit zwei verschiedenen Molekülen bestückt wird. Sorte 1 wird unter UV-Licht abgespalten. Es zerfällt dabei in CO2, Protonen, Fluoridionen und ein kleines organisches Molekül. Der besondere Trick: Die Fluoridionen spalten dann Molekülsorte 2 von der Oberfläche der Kügelchen ab – auch wenn kein UV-Licht mehr an ist. Sorte 2 zerfällt ebenfalls in CO2, Protonen, Fluoridionen und ein kleines organisches Molekül. Da immer weiter Fluorid freigesetzt wird, kommt die Reaktion erst zum Erliegen, wenn alle Moleküle der Sorte 2 aufgebraucht sind.

Wieso „pumpen“ die Kügelchen? Die freigesetzten Moleküle und Ionen diffundieren von der Oberfläche der Kügelchen weg und bilden einen Konzentrationsgradienten. Konzentrationsgradienten erzeugen immer eine Strömung in einer Flüssigkeit, das Kügelchen „saugt“ die Flüssigkeit an. Das freigesetzte organische Molekül sorgt zudem für einen Farbwechsel der Kügelchen von weiß nach gelb-orange und zeigt so an, dass die Mikropumpe „angeschaltet“ ist.

„Intelligente“ Polymer-Materialien, die mit einer makroskopischen Funktion auf einen externen Stimulus „antworten“ können, sind Gegenstand intensiver Forschungen. Dass sich das Material an den auslösenden Reiz, das UV-Licht, „erinnert“ und auch weiter pumpt, wenn dieser abgestellt wurde, ist etwas völlig Ungewöhnliches für derartige Materialien. Das neue Material benötigt dabei keinerlei Reagenzien oder „Kraftstoffe“, die über die Flüssigkeit zugeführt werden müssen. Es arbeitet autonom und wandelt dabei chemische Energie in eine mechanische Antwort, den Flüssigkeitsstrom, um. Molekül 1 dient als Signalempfänger, das Fluorid ist der Signalüberträger. Die Kombination all dieser Charakteristika in einem „intelligenten“ Polymermaterial ist nun erstmals gelungen.

Ein solches Material könnte auch so konzipiert werden, dass es nicht auf Licht, sondern auf einen anderen Stimulus reagiert, z.B. auf die Anwesenheit einer bestimmten Substanz. Solche Mikropumpen könnten beispielsweise interessant sein, um den Fluss in einem mikrofluidischen System umzuleiten, sobald diese spezifische Substanz auftritt.