Mit dem Fortschritt werden viele Dinge des alltäglichen Gebrauchs handlicher, praktischer und generell kleiner. Dies gilt auch für biologische und chemische Experimente. Um Material und Ressourcen zu sparen, versuchen Wissenschaftler ihre Experimente auf immer kleinere Mengen und Ausmasse zu reduzieren. Allerdings verdunsten Mikrometer-grosse Tröpfchen extrem schnell und erschweren somit den reibungslosen Ablauf eines Mikroexperiments.

Patrick Galliker und Julian Schneider vom Labor für Thermodynamik in neuen Technologien zeigen nun, wie man solch winzige Tröpfchen kontrollieren und stabilisieren kann. Dazu machen sie sich ein Verfahren zunutze, welches sie für den 3D-Druck von Nano-Elektrobauteilen entwickelten (ETH Life berichtete). Mit einem speziell angefertigten Tintenstrahl-Druckkopf produzieren die Forscher Nanometer-kleine Flüssigkeitstropfen, die beispielsweise Chemikalien oder Biomoleküle enthalten können. Diese Tröpfchen setzen sie präzise auf eine Oberfläche und erzeugen so einen grösseren Flüssigkeitstropfen, welcher als Nano- oder Mikroreaktor für chemische oder biologische Prozess verwendet werden kann, und halten ihn stabil.

Durch ständigen Nachschub an Flüssigkeit wirken sie der Verdunstung entgegen. Die Tröpfchen, die sie zu diesem Zweck dem grossen Tropfen hinzufügen, enthalten weniger als einen Attoliter Flüssigkeit, also Trilliardstel eines Liters. Ausserdem können sie die Konzentration an Feststoffen in dem Tropfen kontrollieren: Indem sie das Gesamtvolumen des Tropfens vergrössern, verringern sie die Konzentration des Stoffes. Umgekehrt können sie die Konzentration erhöhen, wenn sie mehr von einer Chemikalie zu dem bestehenden Tropfen hinzufügen oder den Tropfen teilweise verdunsten lassen.

Eine solch feine Kontrolle über die Grösse und Zusammensetzung von Mikrotröpfchen ist bislang nur schwer möglich. Bisher verwenden Forschende Chips mit Mikrokanälen, um winzige Mengen von Flüssigkeit, chemischen Stoffen und Biomolekülen zu mischen. Diese Chips müssen jedoch für jedes Experiment passend aufgebaut werden. Ausserdem geben Wissenschaftler eine unmischbare Ölschicht auf diese Chips, damit die wässrige Lösung, in der die gewünschten Reaktionen ablaufen, nicht verdunstet.

Das neue Tintenstrahl-Verfahren bietet mehr Flexibilität und genauere Kontrolle über die Zusammensetzung von Reaktionsgemischen im Nanometer-Bereich. «Das Schöne ist, dass unsere Methode in zwei so völlig unterschiedlichen Bereichen angewendet werden kann», sagt Galliker. «In der Elektrotechnik, um winzige Elektronikbauteile zu drucken, und in den Biowissenschaften, um Mikroexperimente zu kontrollieren.»

Literaturhinweis:

P. Galliker, J. Schneider, L. Rüthemann, and D. Poulikakos: Open-atmosphere sustenance of highly volatile attoliter-size droplets on surfaces. PNAS, published online before print July 29th 2013, DOI: 10.1073/pnas.1305886110