Winzige, weiche Polymerpartikel, sogenannte Mikrogele, können extrem dünne Flüssigkeitsstrahlen länger stabil halten. Ein Forschungsteam unter Leitung der TU Darmstadt hat untersucht, wie dieser Effekt zustande kommt. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal „Nature Communications“ veröffentlicht. Eine mögliche Anwendung sehen die Forschenden unter anderem bei nadelfreien medizinischen Injektionssystemen.

Mikrogele sind weiche Polymerpartikel mit einer Größe von weniger als einem Mikrometer. Sie können sich an der Grenzfläche zwischen Wasser und Luft anlagern und dort die Oberflächenspannung der Flüssigkeit reduzieren. Ihre Wirkung ähnelt damit der von Tensiden, wie sie beispielsweise in Seifen, Spül- oder Waschmitteln eingesetzt werden. Die in der Studie verwendeten Mikrogele sind jedoch ungiftig und unterscheiden sich in der Art ihrer Wechselwirkung mit der Flüssigkeit von vielen klassischen Tensiden.

Versuche mit nur 200 Mikrometer dünnen Wasserstrahlen

Für die Experimente erzeugte das Forschungsteam mithilfe akustischer Oberflächenwellen extrem dünne Wasserstrahlen. Ausgangspunkt war ein Wassertropfen, der Mikrogele enthielt. Ein speziell angefertigter Chip erzeugte Wellen mit einer Frequenz von rund 64 Megahertz. Dadurch entstand aus dem Tropfen ein Flüssigkeitsstrahl mit einem Durchmesser von etwa 200 Mikrometern. Die Entstehung und Ausdehnung des Strahls wurde mit einer Hochgeschwindigkeitskamera aufgezeichnet.

„Dabei zeigte sich ein überraschender Effekt: Obwohl die Mikrogele selbst nur rund 700 Nanometer groß sind, können ihre Eigenschaften die Stabilität eines Flüssigkeitsstrahls bestimmen, der sich über einen Zentimeter erstreckt“, erklärt Dr. Amin Rahimzadeh vom Institut für Physik Kondensierter Materie am Fachbereich Physik der TU Darmstadt. „Je weicher die Partikel waren, desto länger blieb der Wasserstrahl stabil.“

Weiche Mikrogele bleiben besser miteinander verbunden

Eine entscheidende Rolle spielt offenbar die Verformbarkeit der Mikrogele. Bereits bei der Herstellung konnten die Forschenden die Festigkeit der Partikel gezielt beeinflussen. Dazu veränderten sie die Vernetzung des sogenannten Polymergerüsts – einer dreidimensionalen, porösen Struktur des Polymers. Eine stärkere Vernetzung führt zu steiferen Mikrogelen, während eine schwächere Vernetzung weichere Partikel entstehen lässt.

Computersimulationen halfen dabei, den beobachteten Effekt zu erklären.

„An der Grenzfläche zwischen Luft und Wasser können sich weiche Mikrogele leichter dehnen und verformen. Dabei bleiben sie miteinander verbunden und sorgen so dafür, dass die Oberflächenspannung niedrig bleibt. Steifere Partikel lösen sich dagegen leichter voneinander. Dadurch wird der Flüssigkeitsstrahl instabil und zerfällt früher“, erklärt Dr. Suvendu Mandal vom Institut für Physik Kondensierter Materie am Fachbereich Physik der TU Darmstadt.

Potenzial für nadelfreie Medikamentengabe

Eine mögliche Anwendung der Erkenntnisse liegt nach Einschätzung des Forschungsteams in der nadelfreien Verabreichung von Medikamenten. Bei diesem Verfahren werden sehr dünne und schnelle Flüssigkeitsstrahlen genutzt, um Medikamente ohne eine herkömmliche Nadel durch die Haut zu transportieren. Eine bessere Kontrolle der Stabilität solcher Strahlen könnte dazu beitragen, die entsprechenden Systeme zuverlässiger zu machen. Langfristig könnten dadurch invasive Injektionen sowie medizinische Abfälle durch Einwegnadeln reduziert werden.

Auch für den Tintenstrahldruck könnten die Forschungsergebnisse relevant sein. Neu ist nach Angaben des Teams insbesondere die Untersuchung des Verhaltens der Mikrogele unter den sehr schnellen und starken Verformungen, die während der Strahlbildung auftreten. Erstmals wurde dabei der Zusammenhang zwischen dem Verhalten einzelner Mikrogele an der Grenzfläche und der Stabilität eines wesentlich größeren Flüssigkeitsstrahls untersucht.

Erstautorin Atieh Razavi weist darauf hin, dass sich der Vorgang aufgrund seiner hohen Geschwindigkeit nicht ohne technische Hilfsmittel beobachten lässt: „Dieser Prozess der Strahlbildung läuft so schnell ab, dass er mit bloßem Auge nicht beobachtet werden kann. Dafür ist eine Hochgeschwindigkeitskamera mit einer zeitlichen Auflösung von weniger als einer Millisekunde erforderlich.“

Technik für präzisere Flüssigkeitsstrahlen

Dr. Andreas Winkler und Dr. Mehrzad Roudini vom Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden entwickelten den akustischen Versuchsaufbau für die Experimente. Sie sehen in dem beobachteten Effekt Potenzial für die Weiterentwicklung zukünftiger Technologien. Im Mittelpunkt steht dabei die Optimierung der Wandler für die akustischen Wellen sowie deren elektrische Ansteuerung. Diese Komponenten sind für die Erzeugung und Kontrolle der Flüssigkeitsstrahlen verantwortlich und könnten künftig präzisere Systeme für die Medikamentengabe sowie bedarfsgesteuerte Tropfenquellen ermöglichen.

Professorin Regine von Klitzing sieht in der Studie zudem einen wichtigen Schritt von der Grundlagenforschung hin zu möglichen praktischen Anwendungen. Bisher habe sich die Forschung an Mikrogelen vor allem damit beschäftigt, das Verhalten einzelner Partikel oder von Partikelgruppen unter kontrollierten Bedingungen zu untersuchen. Die aktuellen Ergebnisse zeigen, wie sich dieses Wissen auf technologische Anwendungen übertragen lässt.

Auch Professor Benno Liebchen vom Institut für Physik Kondensierter Materie am Fachbereich Physik der TU Darmstadt hebt die Rolle der theoretischen Modellierung für das Verständnis des Phänomens hervor: „Die Simulationen zeigen einen Mechanismus, durch den Wechselwirkungen auf der Nanoskala ein Sicherheitsnetz bilden, das weiche Grenzflächen vor dem Aufbrechen schützt – selbst in einem zentimeterlangen Flüssigkeitsstrahl.“

Originalpublikation: Soft microgel networks stabilize and extend nozzle-free water jets | Nature Communications