Microscopisch varen op geluidsgolven
Een van de eerste speelfilms waarin microtechnologie een rol speelde was Fantastic Voyage uit 1966. Daarin wordt een duikboot met een medisch team aan boord zo ver verkleind dat hij door de aderen van een geleerde kan varen die uit Oost-Europa is ontsnapt en na een moordaanslag een bloedprop in zijn hersenen krijgt. De geleerde heeft naar verluidt het probleem opgelost hoe alledaagse voorwerpen oneindig lang te verkleinen en de CIA wil daar alles van weten. Opdracht is het bloedstolsel op te ruimen, zodat de man uit zijn coma kan komen. Dat beeld van die verkleinde duikboot is een klassieker geworden in beeldvorming over medische microtechnologie. Het idee is volstrekt onrealistisch, maar een soort vaartuigje op microscopische schaal is misschien dichterbij dan we denken. Onderzoekers bij de Universiteit Twente hebben een millimeter groot apparaatje bedacht dat zonder eigen aandrijving door een vloeistof kan voortbewegen. Ze noemen het ding een akoestische Sint Jacobsschelp. De onderzoekers schrijven erover in de Journal of Micromechanics and Microengineering van 11 juli 2006.
Een kaars uitblazen gaat heel gemakkelijk. Wanneer je blaast, produceer je een gerichte luchtstraal die de lucht rond het brandende lont zo ver afkoelt, dat de vlam uitgaat. Een kaars doven door de lucht rond de vlam weg te zuigen, lukt niet. Als je zuigt, trek je lucht vanuit alle richtingen aan en het effect op de vlam is te klein om hem uit te krijgen. Het effect op jezelf is ook verschillend: blazen zorgt voor een grotere reactiekracht dan zuigen. Door onze massa merken we geen resultaat, maar een heel licht voorwerp zal door blazen merkbaar meer kracht naar achteren ondervinden dan het bij zuigen naar voren ondervindt. Zou je afwisselend blazen en zuigen, dan wek je een asymmetische luchtstroming op, die bij herhaling uiteindelijk voor een netto beweging naar achteren zorgt. Door afwisselend te blazen en te zuigen, kun je je verplaatsen. Overigens misschien een leuk experiment voor een astronaut in het Internationale Ruimtestation.
Microscopisch device maken
In het verleden is dit principe al wel eens beschreven en er is op basis van een aan één kant gesloten buisje zelfs speelgoed van gemaakt (zie http://www.sciencetoymaker.org/boat/asembCartonl.html). In de wereld van de luchtvaart wordt toepassing ervan bestudeerd voor het beheersen van stroming in grenslagen. Andrea Prosperetti, als hoogleraar in deeltijd verbonden aan de vakgroep Fysica van vloeistoffen bij de Universiteit Twente, kwam met het idee om asymmetrische stroming te gebruiken om een microscopisch device in beweging te brengen. Het device bestaat dan uit een heel klein aan één kant gesloten buisje met een luchtbel erin, ondergedompeld in een vloeistof. Met een akoestisch geluidsveld kan in de vloeistof een met de tijd variërende druk worden opgewekt. Als de druk hoog is, wordt de bel ingedrukt en kan extra vloeistof het buisje instromen. Als de druk laag is, zet de bel uit en drukt vloeistof het buisje uit. In dat laatste geval (als bij het blazen naar de kaars) is de kracht op het buisje groter dan in het eerste geval (als bij het wegzuigen van lucht rond de kaars). Tijdens een akoestische cyclus beweegt het buisje dan twee keer vooruit en één keer achteruit, als bij de beroemde springprocessie in Echternach.
Met dit idee ging aio Rory Dijkink aan de slag. Hij maakte een device van een buisje van 3 millimeter lang, met een binnendiameter van 0,25 millimeter en dichtte dat buisje aan één kant af met lijm. Student Johan van der Dennen verdiepte zich in het mechanisme van de beweging en kon het buisje uiteindelijk in een dun vloeistofkanaal laten 'zwemmen' (zie filmpje in figuur 2). De manier waarop het buisje zich voortbeweegt lijkt erg op de manier waarop een Sint Jacobsschelp (de schelp uit het logo van Shell) dat doet. De onderzoekers hebben het daarom over een akoestische Sint Jacobsschelp. Zij maakten ook een combinatie van zes van deze devices die ze aan een lager bevestigden. Dit werkt in een geluidsveld als een windmolen onder water (zie filmpje in figuur 4).
Mogelijke toepassingen
Hoewel het onderzoek uit nieuwsgierigheid begon, komen intussen toch gedachten aan toepassingen op, met name medische. De energie van de geluidsgolven ligt ruim beneden het niveau dat voor levend materiaal schadelijk zou zijn. Een device op één plaats vastgezet, kan bijvoorbeeld gebruikt worden als micropomp. Zo'n device heeft geen mechanische delen en geen andere energiebron dan geluidsgolven en kan opereren in elk materiaal waarin geluidsgolven zich kunnen voortplanten. Claus-Dieter Ohl, die de experimenten begeleidde, voorziet ook een mogelijke toepassing in lab-on-a-chip systemen voor bijvoorbeeld het verwerken van vloeistoffen als eiwitoplossingen, die erg gevoelig zijn voor externe verstoringen. Echt ver weg, maar wellicht geen science fiction meer, zou het gebruik van een dergelijk device kunnen zijn voor het transporteren van medicijnen naar goed vast te stellen plekken in het lichaam, bijvoorbeeld een bloedstolsel.
Meer informatie bij dr. Claus-Dieter Ohl, Universiteit Twente, telefoon (053) 489 56 04.
Meer materiaal op: http://stilton.tnw.utwente.nl/people/ohl/roboscallop.html
Meer informatie over de vakgroep op http://pof.tnw.utwente.nl/
Het onderzoek werd mede gefinancierd door FOM en NWO.