Preiswürdige Mikrofluidik Viskositäts-Mikrosensor benötigt extrem geringe Probenmenge

Die Viskosität ist ein Qualitätsmerkmal für viele Produkte, gleichzeitig kann sie aber auch wichtiger Parameter für medizinische oder umwelttechnische Fragestellungen sein. Ein neuer Mikrosensor braucht für die Viskositätsbestimmung eine viel geringere Probenmenge als herkömmliche Methoden. Der Entwickler von der TU Wien wurde hierfür mit dem Fehrer-Preis 2019 ausgezeichnet.

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Wien/Österreich – Einen Löffel aus einem Glas Wasser herauszuziehen, ist kein Problem. Befindet sich der Löffel in einem Honigglas, wird die Sache schon mühsamer, und wenn der Löffel in klebrigem Bitumen im Asphalt steckt, dann werden wir ihn ohne Hilfsmittel vielleicht überhaupt nicht mehr herausbekommen. Dieser Widerstand, den eine Flüssigkeit einer Bewegung entgegensetzt, wird als „Viskosität“ bezeichnet. Sie spielt in vielen Anwendungen eine wichtige Rolle, ist aber nicht immer einfach zu messen. Dr. Georg Pfusterschmied entwickelte am Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme nun einen Mikrosensor, mit dem man die Dichte und die Viskosität unterschiedlichster Flüssigkeiten ermitteln kann. Der Sensor ist so kompakt, dass ein einziger Tropfen für eine Messung ausreicht. Dafür wurde Georg Pfusterschmied nun mit dem Fehrer-Preis der TU Wien ausgezeichnet.

Ein schwingendes Plättchen im Mikrochip

„Die Dichte und die Viskosität einer Flüssigkeit können in ganz unterschiedlichen Anwendungsbereichen sehr wichtig sein“, sagt Georg Pfusterschmied. „Von der Viskosität des Maschinenöls im Motor hängt ab, ob es die Kolben noch richtig schmiert oder ob ein Ölwechsel nötig ist. Die Viskosität des klebrigen Bitumens im Asphalt sagt uns, ob der Asphalt noch stabil ist oder erneuert werden muss. Aus der Dichte von Wein kann man ableiten, ob der Gärungsprozess richtig funktioniert hat, und die Viskosität von Blut spielt für medizinische Fragen eine wichtige Rolle.“

Freilich bewegt sich die Viskosität von klebrigem Asphalt in ganz anderen Größenordnungen als die Viskosität von vergärendem Wein. Georg Pfusterschmied hat einen Mikrochip entwickelt, der für all diese unterschiedlichen Flüssigkeiten einsetzbar ist. „Wir verwenden einen Mikroresonator. Das ist eine winzige Platte, ähnlich dick wie Alufolie, die elektrisch zum Schwingen angeregt wird“, erklärt Georg Pfusterschmied. Der Mikrochip wird in die Flüssigkeit eingetaucht, dann wird gemessen, auf welche Weise sich das Schwingungsverhalten der Platte verändert. Daraus kann man die Dichte und die Viskosität berechnen.

Der entscheidende Vorteil dieser Messmethode ist, dass der Sensor extrem kompakt gebaut werden kann und dementsprechend auch mit sehr geringen Flüssigkeitsmengen auskommt. Ein paar Mikroliter genügen – anhand eines einzelnen Tropfens lässt sich die Dichte und die Viskosität bestimmen. Für bisher verwendete Viskositäts-Messgeräte braucht man deutlich größere Proben.

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