Mit seiner faszinierenden Aufnahme einer Mikropumpe hat Sebastian Bohm, wissenschaftlicher Mitarbeiter an der TU Ilmenau und Entwicklungsingenieur bei der 5microns GmbH, den 1. Preis im Fotowettbewerb NanObjectives gewonnen. Die patentierte Pumpe "E-PunCh" – kurz für "Electrowetting Pump on a Chip" –, die vollständig ohne bewegliche Teile funktioniert und Flüssigkeiten mithilfe elektrischer Spannung bewegt, entwickelte der Physiker im Rahmen seiner Dissertation am Fachgebiet Theoretische Physik I in den Reinräumen des Zentrums für Mikro- und Nanotechnologien (ZMN) der Universität. Mit dieser Arbeit wurde er in diesen Tagen mit dem Prädikat summa cum laude promoviert.
Forschung
Fenster in eine verborgene Welt: Promovend macht winzige Mikropumpe in schillernden Farben sichtbar
Insgesamt 55 kreative Beiträge aus Forschung und Technik haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler sowie Studierende der TU Ilmenau beim diesjährigen Fotowettbewerb des Fördervereins für Mikro- und Nanotechnologien Ilmenau e.V. und des Instituts für Mikro- und Nanotechnologien IMN MacroNano® eingereicht. Begutachtet wurden sie von Dr. Karin Wedrich von der X-FAB in Erfurt, Dr. Torsten Erbe von ASML (Advanced Semiconductor Materials Lithography) NV, dem weltweit größten Anbieter von Lithographiesystemen für die Halbleiterindustrie, und Sebastian Gropp von der VDI/VDE Innovation + Technik GmbH.
„Jedes Bild gibt Einblick in winzige Strukturen, Oberflächen oder Zellen, die dem menschlichen Auge sonst verborgen bleiben“, sagt Maria Illing, Referentin im IMN. So zeigt die mit dem 3. Preis ausgezeichnete Aufnahme „Aufgewundenes Licht“ von Bernd Sprenger einen gewendelten Glühfaden in einer haushaltsüblichen Glühlampe in hundertfacher Vergrößerung. Aufgenommen hat es der Mitarbeiter des CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH, einem An-Institut der TU Ilmenau, mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM).
Ebenfalls mit Hilfe eines REM machte Ningxiang Wu, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fachgebiet Angewandte Nanophysik, einen Stapel von Nanoblättern sichtbar, der durch Elektroabscheidung auf der Oberfläche von Kohlepapier gebildet wird. „Das Faszinierende dabei“, so Maria Illing: „In seinem mit dem 2. Preis ausgezeichneten Bild sieht dieser Stapel aus wie ein neuronales Netz.“
Ein Bild aus 170 Einzelaufnahmen
Die Hälfte einer winzigen Mikropumpe fing Sebastian Bohm in schillernden Farben ein und wurde dafür mit dem 1. Preis im NanObjectives-Wettbewerb ausgezeichnet. Die Pumpe, die der Physiker im Rahmen eines Kooperationsprojekts der TU Ilmenau mit der 5microns GmbH im Zentralen Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM) mitentwickelte und fertigte, kommt vollständig ohne bewegliche Teile aus. Anstelle von mechanischen Kolben oder Membranen übernimmt in der neuartigen Mikropumpe die Flüssigkeit selbst die Pumparbeit. „Zu sehen sind auf meinem Bild die Pumpkammer und die mikrofluidischen Ventile, sogenannte Tesla-Ventile, auf einem Siliziumwafer“, so der frisch promovierte Physiker: „Nicht auf dem Bild sichtbar ist das zweite Teil, das für den Aufbau einer funktionierenden Pumpe notwendig ist und mit dem abgebildeten Substrat verklebt wird.“
Für die Aufnahme platzierte Sebastian Bohm in der Pumpkammer fünf Wassertropfen mit einem Volumen von rund einem Mikroliter:
Dafür musste die Oberfläche des abgebildeten Siliziumwafers zunächst hydrophobisiert, das heißt so behandelt werden, dass es wasserabweisend ist. Um dies zu erreichen, habe ich das Substrat mit einer nur wenigen Nanometern dicken Schicht eines Polymers beschichtet. So können sich Wassertropfen auf der Oberfläche absetzen, ohne dass sie die Oberfläche benetzen und verlaufen.
Das Bild, das so entstanden ist, setzt sich aus rund 170 Einzelaufnahmen zusammen, die der Nachwuchswissenschaftler mit Hilfe einer speziellen Aufnahme- und Bildbearbeitungstechnik, dem so genannten „Focus stacking“, zu einem einzelnen Bild mit außergewöhnlich hoher Schärfentiefe verrechnete. Um das bläuliche Hintergrundlicht und die Reflexionen im Wassertropfen zu erzeugen, veränderte er nach jeweils rund 60 Bildern die Farbe der LED-Beleuchtung: „So sind die unterschiedlichen Farben in den Tropfen entstanden“, erklärt der Physiker.
Das System, für das Sebastian Bohm unter Betreuung von Fachgebietsleiter Prof. Erich Runge numerische Methoden entwickelte und für dessen Fertigung er soeben mit summa cum laude promoviert wurde, ist für vielfältige Anwendungen nutzbar:
Die Mikropumpe kann beispielsweise in der Medizintechnik in Pipettierrobotern, Insulinpumpen oder Tropfendosierautomaten zum Einsatz kommen, aber auch in der Lebensmittelindustrie – überall dort, wo es auf präziseste Dosierungen und geringe Fertigungskosten ankommt.
Mehr Informationen über das System findet sich in den Publikationen Bohm et al. Microsyst. Nanoeng., 8, 97 (2022) sowie Bohm et al. Lab on a Chip, 11, 2893-2905 (2024).
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Sebastian Bohm
Fachgebiet Theoretische Physik I
Fotowettbewerb NanObjectives 5.0
