Nanopropeller für Laborchips

Amerikanische Forscher schlagen den Bau filigraner Nanopropeller vor, um Flüssigkeiten effektiv durch die winzigen Kanäle von Laborchips pumpen und durchmischen zu können.

Chicago (USA) - Die Zeiten der Reagenzgläser im Chemielabor gehen zu Ende. Bei immer kleineren Lab-On-Chip-Modulen reichen geringste Mengen für die Analyse von Substanzen aus. Komplexe Reaktionen sind mit kleinsten Tröpfchen flüssiger Chemikalien möglich. Nano-Pipetten erlauben Dosierungen im Nanoliter-Maßstab. Die amerikanischen Forscher präsentieren nun Computersimulationen zu den von ihnen vorgeschlagenen Nano-Propellern in der Fachzeitschrift "Physical Review Letters".

"Wir untersuchen die Grenzen von Flüssigkeitspumpen aus klassischen Propellern mit molekülkleinen Rotorblättern", schreiben Petr Kral und Boyang Wang von der University of Illinois in Chicago. Ihre Berechnungen der zukünftigen Nanomaschinen beruhen auf komplexen molekular-dynamischen Simulationen. Ein wenige Nanometer kleiner Propeller – aufgebaut aus Kohlenstoffnanoröhrchen und organischen Pyren-Molekülen – kann zumindest theoretisch effektiv Flüssigkeiten bewegen. Dafür verantwortlich sind die abstoßenden und anziehenden Ladungskräfte zwischen hydrophoben oder hydrophilen Propellerflügeln und Wassermolekülen.

In ihren Simulationen beachtete das Forscherpaar sowohl physikalische Randbedingungen wie Rotorgröße und -form als auch die wirkenden Kräfte beispielsweise durch die Coulombabstoßung oder den Aufbau von Wasserstoffbrückenbindungen. Das komplexe Modell zeigte, dass einige Hundert bis zu wenigen Tausend Moleküle einer Flüssigkeit pro Rotorumdrehung bewegt werden könnten.

Diese detaillierten Simulationsrechnungen zu einem Nanopropeller könnten nun andere Forschergruppen zu einer Umsetzung im Labor ermutigen. Mit einzelnen Nanoröhrchen und Pyren-Molekülen stehen die Baustoffe zur Verfügung, mit den Spitzen von Rasterkraftmikroskopen ließen sie sich prinzipiell auch zusammenfügen. Ob ein solcher Propeller dann mit Laserpulsen, elektrischen oder magnetischen Feldern oder gar über biochemische Reaktionen angetrieben wird, könnte sich in den kommenden Jahren zeigen. Im Erfolgsfall wird diese Nanomaschine die Anwendungsbereiche von Lab-On-Chip-Modulen deutlich erweitern.