Aktive Flüssigkeit strömt ohne Pumpe

Die genaue Bewegung von Vogel- und Fischschwärmen lässt sich nicht vorhersagen. Auch winzige biologische Zellen oder Stäbchen auf einer vibrierenden Unterlage neigen zu einer kollektiven, aber nicht kontrollierbaren Dynamik. Nun konnte eine Forschergruppe jedoch Ordnung in zufällige und teils chaotische Schwarmbewegungen bringen: Biologische Motormoleküle folgten in ihren Experimenten einer gerichteten Bewegung. Auf diese Weise kontrollierte das Team die Strömungsrichtung einer Flüssigkeit ohne eine Pumpe. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler in der Fachzeitschrift „Science“

Links und rechts jeweils ein zweigeteilter Kreis, Pfeile zeigen eine kreisförmige Bewegungsrichtung an, die auf der einen Hälfte sehr geordnet abläuft, auf der anderen chaotischer, links: Kreis hat weiß Innenfläche, rechts: Pfeile füllen den Innenraum
Strömung im Modell

„Unsere aktive Flüssigkeit reorganisierte sich von einer turbulenten in eine gerichtete Strömung“, sagt Seth Fraden von der Brandeis University in Waltham. Für ihre Experimente verteilten Fraden und seine Kollegen winzige Tubulin-Proteine, Kinesin-Motorproteine und den biologischen Treibstoff Adenosintriphosphat in einer Flüssigkeit. Zuerst bewegten sich diese molekularen Biomotoren spontan in etwa hundert Mikrometer großen Wirbeln, die gleichverteilt gegen und mit dem Uhrzeigersinn rotierten. Dieses schwarmähnliche, aber nicht kontrollierbare Verhalten war bereits bekannt.

Doch zur Überraschung der Forscher veränderte sich die ungeordnete Wirbeldynamik drastisch, als sie die Flüssigkeit mit den Biomotoren in einen Mikrokanal mit quadratischem Querschnitt und einer Kantenlänge von etwa dreihundert Mikrometer füllten. Plötzlich bildete sich eine gerichtete Bewegung aus und die Flüssigkeit strömte völlig selbstständig mit einer Geschwindigkeit von zehn Mikrometern pro Sekunde durch den Mikrokanal. Mit einer Kerbenstruktur an den Innenwänden ließ sich sogar die Richtung kontrollieren. Der Pumpeffekt zeigte sich über verblüffend lange Strecken von bis zu einem Meter stabil.

Eine physikalische Erklärung für dieses Phänomen und den Übergang von einer zuvor choatisch-turbulenten zu einer gerichteten Strömung haben Fraden und Kollegen bisher nicht. Eine Rolle könnten dünne, nematisch genannte Schichten an den Innenwänden des Mikrokanals spielen. Weitere Experimente und Computersimulationen sollen helfen, diesen Effekt bald zu verstehen. Mögliche Anwendungen von solchen aktiven Flüssigkeiten sehen die Forscher in der Labortechnik, um Substanzen ohne eine bisher notwendige externe Pumpe durch kleine Kanäle strömen zu lassen.