Microscopisch varen op geluidsgolven

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.

Microscopisch klein

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. 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 klein apparaatje in beweging te brengen.

Principe van voortstuwing: Een akoestische golf drukt de bel iets in, waardoor vloeistof de buis in kan stromen (links). Die komt uit alle richtingen, zoals je lucht uit alle richtingen laat toestromen als je zuigt. Neemt de druk van de akoestische golf af, dan zet de bel uit en duwt de vloeistof in één richting de buis uit, zoals je lucht geconcentreerd in één richting stuwt als je blaast. Dit levert netto een kracht op die op het buisje naar links werkt. In een veld van akoestische golven levert dit voortstuwing naar links op.

Vakgroep Physics of Fluids, Universiteit Twente

Het apparaatje 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 onderzoeker Rory Dijkink aan de slag. Hij maakte een apparaatje 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 hierboven). 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 (zie ook linkje hieronder).

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 hieronder).

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 microapparaatje op één plaats vastgezet, kan bijvoorbeeld gebruikt worden als micropomp. Zo’n microapparaatje heeft geen mechanische delen en geen andere energiebron dan geluidsgolven en kan opereren in elk materiaal waarin geluidsgolven zich kunnen voortplanten.

Een aantal microapparaatjes bevestigd op een lager levert een constructie op die onder water ronddraait als een molen.

Vakgroep Physics of Fluids, Universiteit Twente

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 apparaatje kunnen zijn voor het transporteren van medicijnen naar goed vast te stellen plekken in het lichaam, bijvoorbeeld een bloedstolsel.

Zie ook:

• Meer info over de ‘akoestische Sint Jacobsschelp’ (Eng.)
• Vakgroep Physics of Fluids, Universiteit Twente (Eng.)
• De kleinste bouwwerken (Kennislinkartikel van FOM/Bram Vermeer)
• Microbatterijen voor nanomachines (Kennislinkartikel)