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Ein Chip speichert Daten mithilfe von fließendem Wasser
Gedächtnis aus Wasserströmung: Ein winziger Chip kann Informationen über frühere Flüssigkeitsbewegungen festhalten, ohne einen elektronischen Speicher zu besitzen. Möglich machen das weiche Fasern in engen Kanälen, die zwischen zwei stabilen Stellungen umschalten. Ihre Ausrichtung verrät nicht nur, wie stark das Wasser gerade fließt, sondern auch, welche Strömungen zuvor aufgetreten sind.
New Haven (U.S.A.). Wer Daten speichern will, greift gewöhnlich zu elektronischen Schaltungen. Doch ein Gedächtnis muss nicht aus Transistoren bestehen. Auch ein verformbares Bauteil kann frühere Belastungen gewissermaßen festhalten, wenn seine momentane Form von der Vorgeschichte abhängt und nicht allein von einer gerade wirkenden Kraft.
Bei einer Flüssigkeit ist das weniger offensichtlich: Das Wasser strömt weiter, während sich seine Geschwindigkeit und sein Druck ändern. Ein ablesbares Signal könnte deshalb in der Form eines Hindernisses liegen, das vom Wasser umspült wird. Entscheidend wäre, dass dieses Hindernis bei derselben Strömung unterschiedliche stabile Stellungen einnehmen kann.
Forscher der Yale University um Prof. Amir A. Pahlavan haben diesen Ansatz nun experimentell umgesetzt. Sie bauten einen Chip mit nur 80 Mikrometer hohen Kanälen und verankerten darin elastische Fasern aus Hydrogel, einem wasserhaltigen Kunststoff. Anschließend steigerten und verringerten sie die Flüssigkeitsströmung in kontrollierten Schritten und filmten, wie sich die Fasern dabei verformten.
Die Beobachtungen enthüllten einen ungewöhnlichen Wechsel: Bei zunächst steigender Strömung bog sich eine ausreichend lange Faser erst langsam und klappte dann plötzlich in eine andere Stellung. Nahm die Strömung anschließend wieder ab, kehrte sie erst bei einer niedrigeren Stärke in die ursprüngliche Position zurück. Zwischen diesen beiden Schwellen waren somit zwei unterschiedliche Faserstellungen bei derselben Durchflussmenge möglich.
Dieses Verhalten heißt Hysterese. Weil der Umschaltpunkt von der Richtung der vorangegangenen Änderung abhängt, lässt sich die Stellung der Faser wie ein Speicherbit als null oder eins lesen. Das Gedächtnis sitzt dabei nicht im Wasser selbst, sondern im mechanischen Zustand der Faser.
„Während herkömmliche Mikrofluidik auf aktive Elemente setzt, nutzt dieses System Mikrofasern, um Informationen passiv zu speichern“, erklärt Abhineet Singh Rajput von der Yale University.
Das Entscheidende ist die Rückkopplung zwischen Flüssigkeit und elastischer Faser. Biegt sich die Faser, verändert sie den Durchlass und damit den Strömungswiderstand. Dadurch verteilt sich der Flüssigkeitsstrom neu, was wiederum die Kräfte auf die Faser verändert und das abrupte Umschalten auslösen kann. Die Faser muss dafür keine von vornherein eingebaute mechanische Doppellage besitzen.
Die Forscher haben anschließend mehrere Fasern miteinander verbunden. Dazu kombinierten sie den Faserkanal mit einem parallel verlaufenden Nebenkanal, durch den ein Teil der Flüssigkeit ausweichen konnte. Schaltet nun eine Faser um, verändert sie den Widerstand des gemeinsamen Strömungswegs. Dadurch verschiebt sich die Durchflussmenge auch an anderen Fasern, obwohl diese sich nicht berühren.
So kann das Umklappen einer Faser eine zweite dazu bringen, sich in die entgegengesetzte Richtung zu bewegen. Die Umschaltfolge hängt dann davon ab, welche Fasern schon gebogen sind. Aus einzelnen einfachen Speicherbausteinen entsteht ein gekoppeltes System, dessen Gesamtzustand die Vorgeschichte der Strömung widerspiegelt.