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Donnerstag, 29.09.2016
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Mikro-Tropfen als Jukebox

Skurriles Experiment erzeugt Musik aus der Frequenz von Wassertropfen in einem Chip

Skurriles Experiment: Forscher machen Musik mit winzigen Wassertröpfchen in den Leitungen eines Chips. Je nach Frequenz, mit der die Tropfen durch die Minileitungen strömen, erzeugt eine Software höhere oder tiefere Töne. Beethovens "Ode an die Freude" klappt schon ganz gut. Diese scheinbare Spielerei hat aber auch praktischen Nutzen, wie die Forscher im Fachmagazin "Scientific Reports" betonen: In der Medizin kann die genaue Kontrolle von Tropfenfrequenzen bei Blut- und DNA-Analysen helfen.
Durch Wechselspannung regulieren die Forscher, wie schnell die Tropfen im Mikrofluidik-Chip durch die Leitungen fließen.

Durch Wechselspannung regulieren die Forscher, wie schnell die Tropfen im Mikrofluidik-Chip durch die Leitungen fließen.

Töne und Melodien entstehen durch Schwingungen mit verschiedenen Frequenzen. Ob Gitarrensaiten schwingen, die Luft in einer Flöte oder die Membran eines Lautsprechers: Die Vibrationen setzen sich durch die Luft fort und treffen auf unsere Ohren. Je höher die Frequenz – also je schneller die Schwingungen –, desto höher ist der entstehende Ton. Forscher am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen haben nun auf dieser Basis eine Methode entwickelt, um mithilfe von Wassertröpfchen Musik zu erzeugen.

Mikrotropfen im Öl-Wasser-Gemisch


Dafür legten sie eine Wechselspannung von bis zu 1.000 Volt an einen Mikrofluidik-Chip an. Ein solcher Chip besteht aus einem durchsichtigen Kunststoff, durch den dünne Röhrchen verlaufen. Durch diese Röhrchen fließen Öl und Wasser. Da sich die beiden Flüssigkeiten nicht mischen, bildet das Wasser im Öl kleine Tröpfchen. Mit einem Durchmesser von wenigen Mikrometern sind sie allerdings nur unter dem Mikroskop sichtbar.

Je höher die angelegte Spannung ist, desto schneller folgen die Tropfen aufeinander - ihre Frequenz steigt. Und diese Frequenzen übersetzten die Forscher nun in Töne. Dafür fügten sie einen fluoreszierenden Stoff zum Wasser hinzu. Die Tröpfchen sendeten dadurch Licht aus, wenn man sie mit einem Laser beleuchtete. Ein Sensor wandelte das Licht in elektrische Signale um, und aus diesen erzeugte eine Soundkarte schließlich entsprechende Töne.


Aus der Frequenz der Tropfen - umgewandelt in Musik - ergibt sich Beethovens "Ode an die Freude".

Ode an die Freude als Praxistest


Der erste Test war eine einfache Tonleiter, dann folgte die erste Melodie: die „Ode an die Freude“. Der Beginn der Beethoven-Sinfonie ist gut erkennbar, wenn er auch nicht ganz sauber intoniert wird: Die Frequenzen weichen hier und da um bis zu fünf Prozent vom Originalton ab, also etwa um einen Halbton.

Für diese Ungenauigkeiten sind die mechanischen Eigenschaften des Mikrofluidik-Chips verantwortlich: Die Tröpfchen folgen nicht immer in exakt gleichem Abstand aufeinander. Auch die elektrische Spannung braucht etwas Zeit, um einen neuen Wert anzunehmen. Das ist in der Melodie als gleitende Veränderung der Tonhöhe hörbar, bevor der endgültige Ton erreicht wird. Ob das System allerdings jemals als elektronisches Musikinstrument auf die Bühne kommt, ist eher fraglich.

Hilfe bei Blut- und DNA-Analysen


Praktische Anwendungen gibt es aber in der Medizin. Denn Mikrofluidik-Chips, wie sie auch die Göttinger Forscher verwendeten, werden bereits eingesetzt, um flüssige Proben von Blut oder DNA in Form von winzigen Tröpfchen zu untersuchen. „Für eine Krebs-Frühdiagnose ist es beispielsweise nötig, sehr viele DNA-Moleküle eines Patienten zu untersuchen, um den Anteil an mutierter DNA zu bestimmen“, erläutert Jean-Christophe Baret, der die Forschungsgruppe am Göttinger Max-Planck-Institut leitet.

Erste Mikrofluidik-Chips, die sich für solche und andere Analysezwecke eignen, sind bereits erhältlich. Wenn man allerdings Proben nach bestimmten Kriterien auswählen und sortieren möchte, könnte die dem Musikexperiment zugrunde liegende Methode hilfreich sein: ihre genaue Kontrolle der Tropfenfrequenz erlaubt es, beispielsweise infizierte Zellen oder mutierte DNA-Moleküle gezielt mit Hilfe von elektrischen Feldern auszusortieren. In Zukunft könnte ein solcher Chip ein ganzes medizinisches Labor ersetzen. (Scientific Reports, 2014; doi: 10.1038/srep04787)
(Max-Planck-Gesellschaft, 15.05.2014 - NPO)
 
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