Gerichtete Drehbewegungen sind in Natur und Technik weit verbreitet. Im Kleinen jedoch sind sie schwer gezielt herzustellen. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und Partner aus China stellen nun einen Mechanismus vor, bei dem Strömungen allein an einer Wasseroberfläche ein schwebendes Objekt kontrolliert in eine Richtung drehen. So brachten sie hauchdünne Fasern zu geordneten Bündeln zusammen – etwa für verlustarme Hochfrequenzleitungen oder chirurgisches Nahtmaterial. Veröffentlichung in Science Advances. (DOI: 10.1126/sciadv.aed5495)
Kontrollierte Drehungen im Miniaturformat verlässlich zu erzeugen, war bislang eine Hürde: Chemische Antriebe erschöpfen sich, und Verfahren mit elektrischen oder magnetischen Feldern verlangen komplexe Technik. Ein Team vom Institut für Mikrostrukturtechnik (IMT) des KIT und vom Suzhou Institute of Nano-tech and Nano-bionics (SINANO) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften konnte nun zeigen, dass bereits die Strömung an einer Wasseroberfläche ausreicht, um ein schwebendes Objekt in eine feste Richtung zu drehen. „Wir konnten zeigen, dass sich Bewegung im Kleinen ganz ohne Chemie, Strom oder Magnetfelder steuern lässt – allein über die Kräfte an einer Wasseroberfläche. Das eröffnet einen einfachen und vielseitigen Weg, um feinste Strukturen gezielt zusammenzusetzen“, sagt Professor Jan G. Korvink vom IMT des KIT.
Warum Geschwindigkeit die Richtung vorgibt
Kern des Aufbaus ist ein 3D-gedrucktes Bauteil mit einem spiralförmigen Kanal. Es hält ein winziges Objekt an der Wasseroberfläche, ohne es zu berühren. Fährt das Bauteil langsam auf und ab, pendelt das Objekt nur hin und her, ohne dass eine Drehung zurückbleibt. Bei höherem Tempo aber bilden sich kleine Wirbel, die dieses Gleichgewicht kippen: Das Objekt dreht sich Zug um Zug in dieselbe Richtung weiter – wie bei einer Ratsche –, sodass sich die Drehung allmählich summiert. Diesen Vorgang konnten die Forschenden am KIT durch Strömungssimulationen sichtbar machen. „In der Simulation konnten wir genau nachvollziehen, wie die Strömung bei hoher Geschwindigkeit die Symmetrie der Bewegung bricht. Genau dieser Bruch macht aus einem Hin und Her eine gerichtete Drehung“, sagt Professor Yongbo Deng vom IMT.
Feine Faserbündel für Kabel, Nähte und künstliche Muskeln
Der Effekt lässt sich gezielt nutzen: Das Bauteil verhält sich wie ein winziger Motor, den allein die Wasseroberfläche antreibt. Sein Drehmoment liegt bei etwa 10⁻⁸ Newtonmetern – weit unter dem eines Elektromotors, aber deutlich über dem von biologischen Motoren. Auf diese Weise legten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Seidenfasern mit einem Durchmesser von 10 bis 20 Mikrometern Schritt für Schritt zu mehrlagigen, ineinander gedrehten Bündeln zusammen. Solche Strukturen sind auch für Litzendrähte oder chirurgisches Nahtmaterial typisch. Als Einsatzfelder gelten verlustarme Leitungen in Rechenzentren, multifunktionales Nahtmaterial und künstliche Muskeln.
Klassische Flechtmaschinen versagen in diesem Größenbereich, weil die Fasern unter der Spannung reißen. Der neue Ansatz kommt dagegen ganz ohne mechanischen Kontakt aus und eröffnet damit einen neuen Weg, feine spiralförmige Strukturen kontrolliert herzustellen.
Die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), der Europäische Forschungsrat (ERC) und SINANO haben die Arbeit gefördert.
Originalpublikation
Zhe Li, Keliang Liu, Lida Pan, Zhangyuan Cheng, Shuxian Li, Chengchen Guo, Jan G. Korvink, Jiadong Li, Yongbo Deng, Zongmin Ma, Cheng Zeng: Capillary ratchets activated by interfacial flows for versatile torque generation and microassembly. Science Advances, 2026. DOI: 10.1126/sciadv.aed5495.
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