Kohärente Strömung in aktiven Flüssigkeiten

  • 24. March 2017

Übergang von chaotischer zu gerichteter Bewegung von winzigen Biomotoren noch rätselhaft.

Wer Flüssigkeiten durch Pipelines oder winzige Mikrokanäle strömen lassen will, braucht dazu geeignete Pumpen. Doch aktive Flüssigkeiten können auch völlig selbstständig ohne einen äußeren Antrieb in eine Richtung strömen. Dieses Phänomen beobachteten nun amerikanische Physiker mit einer Lösung, in der sie kleine biologische Motorproteine verteilt hatten. Bisher zeigten diese Biomotoren nur eine ungerichtete, fast chaotische Dynamik vergleichbar mit der unkontrollierbaren Schwarm­bildung von Fischen oder Vögeln. Doch mit den geeigneten Rand­bedingungen gelang es den Forschern, diese Bewegung in eine gerichtete Strömung zu überführen.

Abb.: In einem Toroid wandelt sich die turbulente Wirbelbewegung von Biomotoren in eine gerichtete, kohärente Strömung um. (Bild: K.-T. Wu et al., Brandeis University)

Abb.: In einem Toroid wandelt sich die turbulente Wirbelbewegung von Biomotoren in eine gerichtete, kohärente Strömung um. (Bild: K.-T. Wu et al., Brandeis University)

Seth Fraden und seine Kollegen von der Brandeis University in Waltham verteilten für ihre Experimente winzige Tubulin-Proteine, Kinesin-Motor­proteine und den biologischen Treibstoff Adenosin­triphosphat (ATP) in einer Flüssigkeit. Die röhren­förmige Protein­filamente verknüpften sich mit den Motorproteinen zu kleinen Bündeln, die – wie erwartet – spontan in etwa 100 Mikrometer großen Wirbeln rotierten. Um die Bewegungen sichtbar zu machen, nutzten die Forscher fluoreszierende Partikel, die sie zuvor an die Biomotoren andockten. Die Drehungen der Wirbel waren dabei gleichverteilt sowohl gegen als auch mit dem Uhrzeigersinn. Für Pumpzwecke kann dieser Effekt nicht genutzt werden, da sich in der Summe aller Bewegungen keine Vorzugsrichtung für die Strömung ausbildete.

Die ungeordnete Wirbeldynamik veränderte sich zur Überraschung der Forscher drastisch, als sie die Flüssigkeit mit den Biomotoren durch Mikrokanäle mit verschiedenen Dimensionen füllten. Plötzlich bildete sich eine gerichtete Bewegung aus und die Flüssigkeit strömte völlig selbstständig in eine Richtung. Höhe und Breite der Kanalwände variierten die Forscher in der Größen­ordnung einiger hundert Mikrometer. Dabei durfte jedoch das Größen­verhältnis der Seitenwände nicht größer als drei werden, da sich darüber wieder eine turbulente Wirbel­dynamik einstellte.

Fraden und Kollegen führten zahlreiche Versuche mit toroid-förmigen, in sich geschlossenen Mikrokanälen verschiedener Länge durch. Mit zunehmender Kanal­höhe nahm die Strömungs­geschwindigkeit der aktiven Flüssigkeit zu. In einem 330 Mikrometer hohen und 650 Mikrometer breiten Toroid-Kanal betrug die Geschwindigkeit vier Mikrometer pro Sekunde. Für die größten Toroid-Kanäle mit 1300 Mikrometer Höhe konnten die Forscher sogar Geschwindigkeiten von bis zu 17 Mikrometer pro Sekunde messen. Bei deutlich kleineren Durchmessern sanken diese Werte auf bis zu einem Mikrometer pro Sekunde ab. Strukturierten die Forscher die Innenwände mit filigranen Kerben, ließ sich sogar die Strömungs­richtung vorbestimmen.

Die einzelnen turbulenten Wirbelbewegungen währten selten länger als drei Sekunden. Doch eingefüllt in den Toroid-Mikrokanälen strömte die aktive Flüssigkeit gleichmäßig bis zu zehn Stunden lang. Die Flüssigkeit bewegte sich dabei über relativ weite Strecken von bis zu einigen Metern. So könnte dieser Strömungseffekt tatsächlich in der Labor­technik angewandt werden, um flüssige Substanzen ganz ohne externe Pumpe durch filigrane Mikrokanäle zu transportieren.

Allerdings haben Fraden und Kollegen für den Übergang einer choatisch-turbulenten zu einer gerichteten Strömung bisher keine physikalische Erklärung. Offensichtlich spielen geometrische Faktoren eine zentrale Rolle. Auch dünne, nematische Schichten an den Innenwänden des Mikrokanals könnten zur Klärung dieses Strömungsphänomens beitragen. Weitere Experimente mit anderen aktiven Flüssigkeiten und numerische Computer­simulationen könnten einen Beitrag zur Lösung des Problems liefern.

Jan Oliver Löfken

DE

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