Winzige Spiralen
Jülicher Physiker simulieren strömungsinduzierte Helix-Bildung biologischer Makromoleküle in Mikrokanälen
Wenn Polymerfäden durch mikroskopisch kleine Kanäle fließen, können sie sich verbiegen und die Form einer Spirale annehmen. Welche physikalischen Kräfte dafür entscheidend sind, bestimmten Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich anhand eines physikalischen Modells. Ein besseres Verständnis solcher Systeme ist zum Beispiel von Interesse für die Entwicklung von Mikrofluidiksystemen, die in Labors zur Untersuchung von DNA und anderen flexiblen Makromolekülen genutzt werden. Die Ergebnisse hat „Physical Review Letters“ veröffentlicht.
Simulationen Jülicher Physiker zeigen: Wenn Polymerfäden durch mikroskopisch kleine Röhren fließen, rollen sie sich unter bestimmten Bedingungen spiralförmig auf.
Forschungszentrum Jülich
Die Forscher simulierten für ihr Modell einzelne semiflexible Polymerketten, die in einer zähen Flüssigkeit durch eine Röhre mit variierendem Durchmesser strömen. Semiflexible Polymere sind weder steif noch frei verformbar, sondern ähnlich biegbar wie etwa ein Gartenschlauch. Vor allem Makromoleküle aus der Natur besitzen diese Eigenschaft, etwa die DNA, der Träger unseres Erbguts. Die Wissenschaftler beobachteten, dass die Polymere die engen Röhrenabschnitte in fast gestreckter Form durchqueren, sich jedoch zunächst biegen und dann spiralförmig zusammenballen, wenn sie die breiteren Röhrenabschnitten erreichen.
„So eine Spiralbildung findet man in der Natur häufig. Honig zum Beispiel, den man von einem Löffel als dünnen Faden aufs Toastbrot fließen lässt, nimmt auch die Form einer Spirale an“, ordnet Prof. Gerhard Gompper, Direktor am Jülicher Institute of Complex Systems (ICS) und am Institute for Advanced Simulation (IAS) die Beobachtung der Forscher ein. „Doch die Gründe, warum sich Spiralen bilden, können vollkommen unterschiedlich sein. Beim Beispiel des Honigs kommt es beim Auftreffen auf den Toast zunächst zu einem Rückstau im Faden, der sich durch das „Aufrollen“ reduzieren lässt.“
Die Spiralbildung der Polymere in den strukturierten Mikroröhren dagegen sehen die Forscher als eine Folge der veränderten Druckbedingungen beim Aufweiten der Röhre an: „Dort verringert sich die Fließgeschwindigkeit. Dadurch wird der ankommende Teil der Polymerfäden abgebremst, während der folgende Teil mit unverminderter Geschwindigkeit nachrückt“, erläutert Prof. Roland Winkler vom IAS.
Die genaue Beschaffenheit der Spirale hängt von drei Faktoren ab, fanden die Wissenschaftler: der Biegesteifigkeit der Polymere, der Fließgeschwindigkeit und dem Verhältnis des Röhrendurchmessers an weiten im Vergleich zu engen Stellen. Zum Beispiel wird die Spirale umso enger, je größer dieses Verhältnis ist. Die bestimmenden Kräfte konnten die Physiker identifizieren, indem sie ihr Modellsystem auf das Wesentliche reduzierten: Die Polymerketten sind dünne Fäden, die Flüssigkeit eine dichte Packung kleiner Kügelchen. Durch diese Vereinfachung können universelle Gesetzmäßigkeiten leichter identifiziert und beschrieben werden.
„Die Mikrofluidik erlaubt die Untersuchung winziger Flüssigkeitsmengen und ist daher für viele zukünftige chemische und medizinische Untersuchungen von herausragender Bedeutung“, erläutert Gompper. Ein Ziel ist die Entwicklung von medizinischen Einmaltests, mit denen das Blut von Patienten einfach und kostengünstig untersucht werden kann. Solche Tests wären zum Beispiel für Entwicklungsländer interessant, in denen ausgebildetes Personal und teure Labors fehlen, oder für Vorsorgeuntersuchungen. „Hierzu muss aber das dynamische Verhalten einzelner Makromoleküle oder Zellen genau verstanden werden. Strukturierte Mikrokanäle eröffnen hier ganz neue Möglichkeiten, die wir in den nächsten Jahren im Detail untersuchen wollen.“
Originalveröffentlichung
Raghunath Chelakkot, Roland G. Winkler, Gerhard Gompper; "Flow-Induced Helical Coiling of Semiflexible Polymers in Structured Microchannels."; Phys. Rev. Lett. 109, 178101 (2012).
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