Mikrotechnik Mikromotor mit Wasserantrieb

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Karlsruher Institut für Technologie (KIT)

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Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und Partner aus China zeigen, wie Strömungen allein an einer Wasseroberfläche ein schwebendes Objekt kontrolliert in eine Richtung drehen.

Gerichtete Drehbewegungen sind in Natur und Technik weit verbreitet. Im Kleinen jedoch sind sie schwer gezielt herzustellen, so die Forscher vom KIT. Chemische Antriebe etwa erschöpfen sich und Verfahren mit elektrischen oder magnetischen Feldern verlangen komplexe Technik. 

Nun aber haben es Forscher geschafft, hauchdünne Fasern zu geordneten Bündeln zusammenzubringen – etwa für verlustarme Hochfrequenzleitungen oder chirurgisches Nahtmaterial. Ein Team vom Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT und vom Suzhou Institute of Nanotech and Nanobionics (Sinano) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften konnte nun zeigen, dass bereits die Strömung an einer Wasseroberfläche ausreicht, um ein schwebendes Objekt in eine feste Richtung zu drehen – alles im Miniformat und ganz ohne Chemie, Strom oder Magnetfelder, um das Ganze zu steuern. Allein über die Kräfte an einer Wasseroberfläche sei das gelungen. So könnten feinste Strukturen gezielt zusammengesetzt werden, merkt Professor Jan G. Korvink vom IMT des KIT dazu an. Veröffentlicht wurde die Forschung nun erstmals in Science Advances.

Aus reiner Pendelbewegung wird eine gerichtete Drehung

Der Kern des Aufbaus ist ein 3D-gedrucktes Bauteil mit einem spiralförmigen Kanal. Es hält ein winziges Objekt an der Wasseroberfläche, ohne es dabei zu berühren. Fahre das Bauteil langsam auf und ab, pendle das Objekt nur hin und her, ohne dass eine Drehung zurückbleibe. Bei höherem Tempo aber bilden sich kleine Wirbel, die dieses Gleichgewicht kippen. Das Objekt dreht sich dann Zug um Zug in dieselbe Richtung weiter – quasi wie bei einer Ratsche, vergleichen die Forscher, sodass sich die Drehung allmählich aufsummiert. 

Diesen Vorgang konnte man am KIT durch Strömungssimulationen auch sichtbar machen. In der Simulation konnten die Forscher demnach genau nachvollziehen, wie die Strömung bei hoher Geschwindigkeit die Symmetrie der Bewegung bricht. Genau dieser Bruch verwandle das Hin und Her in eine gerichtete Drehung.

Feinste Faserbündel für Kabel, Medizin und künstliche Muskeln

Der Effekt lässt sich nach Aussage der Wissenschaftler gezielt nutzen. Denn das Bauteil verhält sich wie ein winziger Motor, den allein die Wasseroberfläche antreibt. Sein Drehmoment liegt bei etwa 10⁻⁸ Newtonmetern – also zwar weit unter dem eines Elektromotors, aber deutlich über dem von biologischen Motoren. So ist es etwa gelungen, Seidenfasern mit einem Durchmesser von zehn bis 20 Mikrometern Schritt für Schritt zu mehrlagigen, ineinander gedrehten Bündeln zu kombinieren. Solche Strukturen seien aber auch für Litzendrähte oder chirurgisches Nahtmaterial typisch. 

Als Einsatzfelder könnte man sich deshalb verlustarme Leitungen in Rechenzentren, multifunktionales Nahtmaterial und künstliche Muskeln vorstellen. Denn klassische Flechtmaschinen versagen in diesem Größenbereich, weil die Fasern unter der Spannung einfach reißen. Der neue Ansatz komme dagegen ganz ohne mechanischen Kontakt aus und eröffne deshalb einen neuen Weg, um auch feinste spiralförmige Strukturen kontrolliert herzustellen.

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), der Europäische Forschungsrat (ERC) und Sinano haben die Arbeit gefördert.