Ein Trampolin aus Licht

Kleinste Flüssigkeitstropfen nur mit Licht zu lenken – diese Vision, die einem Science-Fiction-Film entnommen zu sein scheint, rückt durch das Forschungsgebiet der optischen Mikro-Manipulation in den Bereich der Wirklichkeit. Wissenschaftlern des Instituts für Angewandte Physik der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) ist es nun erstmals gelungen, absorbierende – also Lichtenergie aufnehmende – Mikro-Tröpfchen in Luft, sogenannte Aerosole, optisch zu manipulieren.

Versuchsaufbau zum Nachweis des
 Trampolins aus Licht – innerhalb der
 Glasküvette wurde die Laserlichtbarriere
 durch streuende Partikel sichtbar gemacht.

Foto: WWU/AG Nichtlineare Photonik

 Das renommierte Fachjournal "Nature" präsentiert in seiner aktuellen Ausgabe Auszüge der Forschungsarbeit in der Rubrik "News&Views", in der herausragende Veröffentlichungen aus anderen Fachmagazinen vorgestellt werden. Auch "Nature Photonics" würdigte die Erkenntnis der Münsteraner bereits als einen Höhepunkt der aktuellen Forschungen in diesem Bereich.

Das Wissenschaftlerteam aus den Doktoranden Michael Eßeling, Patrick Rose und Christina Alpmann sowie der Arbeitsgruppenleiterin Prof. Dr. Cornelia Denz nutzt den Effekt der Fotophorese. Dabei heizt ein Laserstrahl eine Seite des Mikro-Tröpfchens stark auf. Diese Wärme wird an die Umgebungsluft abgegeben. "Die erwärmte Luft dehnt sich aus und übt so eine Kraft aus, die das Tröpfchen aus dem Laserstrahl schiebt", erklärt Michael Eßeling. In einer ersten Veröffentlichung hatte das Team bereits zeigen können, dass man mittels geeigneter Strahlformung einen dreidimensionalen "Käfig aus Licht" präparieren kann, mit dem sich absorbierende Partikel rein optisch fangen und in alle Richtungen steuern lassen.

Nun zeigten die Forscher in einem zweiten Experiment, dass sich der Effekt auch auf flüssige Aerosole übertragen lässt. Aerosole entstehen immer dann, wenn Flüssigkeiten mit einer Düse fein verteilt werden, etwa bei Spraydosen oder Tintenstrahldruckern. Dazu nutzen die Wissenschaftler einzelne Tröpfchen aus einer speziell präparierten Tintenpatrone, die auf eine Barriere aus stark fokussiertem Laserlicht fallen. Die Mikrotröpfchen werden von dieser Barriere zurückgeworfen wie von einem Trampolin. "Diese Beobachtung stellt eine wichtige Arbeit im Forschungsfeld der optischen Manipulation absorbierender Tröpfchen dar", betont Michael Eßeling. Die Tröpfchen könnten in Zukunft beispielsweise in einer Lichtfalle eingesperrt werden, um Mischvorgänge zu beobachten oder die Analyse der Tröpfchenbestandteile zu ermöglichen.


Originalpublikation:

Esseling M., Rose P., Alpmann C., and Denz C. (2012): Photophoretic trampoline—Interaction of single airborne absorbing droplets with light. Applied Physics Letters 101, 131115; doi: 10.1063/1.4755761
Artikel in "Nature"/"News and Views":

McGloin D. (2012): Applied physics: An optical trampoline. Nature 492, 51–52; doi:10.1038/492051a

Links: 
Originalpublikation in "Applied Physics Letters"
Nature "News&Views" / An optical trampoline