Forscher kühlen erstmals eine Flüssigkeit per Laser

Per Licht gekühlt: US-Forschern ist es erstmals gelungen, eine Salzlösung per Laser herunterzukühlen. Statt den Tropfen aufzuheizen, senkte der Laser dessen Temperatur um 15 Grad ab. Möglich wurde dies durch einen speziellen Kristall, der durch das Laserlicht zu leuchten beginnt und damit der umgebenden Flüssigkeit Wärme entzieht. Einmal optimiert, könnten mit dieser Laserkühlung gezielt kleinste Computerbauteile gekühlt werden oder auch einzelne Zellprozesse, so die Wissenschaftler.

Es ist hochgradig rein, strahlt tausende Kilometer weit ohne aufzufächern und kann selbst Stahl schneiden: Laser geben Licht in seiner konzentriertesten Form ab und dieses ist entsprechend energiereich. Deshalb eignen sich Laser bestens zum Schneiden, bohren und schweißen – sogar als Waffe könnte man sie einsetzen. Dass man mit einem Laser auch Kühlen kann, erscheint daher zunächst paradox. „Typischerweise, wenn man zum Beispiel in einem Film einen Laserblaster sieht, dann heizen sie die Dinge auf“, sagt Peter Pauzauskie von der University of Washington.

Doch für Gase und Atomwolken, beispielsweise in Atomuhren, ist die Laserkühlung schon seit längerem gängig. Auch bestimmte Kristalle lassen sich durch diese Methode herunterkühlen. Für Flüssigkeiten allerdings schien es bisher unmöglich. „Es war eine offene Frage, ob man das schafft, weil sich Wasser normalerweise erwärmt, wenn man es mit einem Laser bestrahlt“, so Pauzauskie.

Der YLF-Kristall unter dem Mikroskop bei Laserbeschuss © Pauzauskie et al. /PNAS

Nanokristall als Wärmeableiter

In ihrem Experiment nutzten die Forscher jedoch einen Trick: Sie erzeugten zunächst einen mikroskopisch kleinen Kristall aus Yttrium-Lithiumfluorid (YLF). Von diesen Kristallen ist bekannt, dass sie im Vakuum durch Infrarotlaser gekühlt werden können. Diesen Kristall setzten sie in eine Salzlösung, wie sie beispielsweise der Flüssigkeit in Zellen und Geweben entspricht.

Wurde nun der Kristall mit einem Infrarot-Laser bestrahlt, setzte er überschüssige Energie in Form eines blaugrünen Leuchtens frei. Dieser Prozess entzog dabei nicht nur dem Kristall selbst Wärme, sondern auch der ihn umgebenden Salzlösung. Diese kühlte sich dadurch um bis zu 15 Grad Celsius ab. „Dies ist das erste Beispiel für einen Laser, der Flüssigkeiten wie Wasser unter alltäglichen Bedingungen kühlen kann“, sagt Pauzauskie.

Anwendung bei Elektronik und Zellbiologie

Noch funktioniert das Ganze nur mit einem einzelnen Nanokristall und entsprechend kleiner Flüssigkeitsmenge. Zudem benötigt der Laser dafür ziemlich viele Energie. Doch die Forscher sind sicher, dass sich dieser Prozess noch optimieren lässt. Dann könnte sich diese Laserkühlung gleich auf mehrere Weise als nützlich erweisen.

„Potenzielle Anwendungen reichen von der präzisen Temperaturkontrolle von Mikrochips, photonischen oder mikrofluidischen Schaltkreisen bis zum Auslösen und Erforschen von grundlegenden Stoffwechselprozessen auf Zellebene“, so die Forscher. So ließen sich mit einem solchen Kühllaser winzige Kältepunkte erzeugen, durch die beispielsweise eine einzelne Zelle oder sogar nur Zellkomponenten heruntergekühlt werden kann. Weil dadurch die Zellprozesse quasi in Zeitlupe ablaufen, ermöglicht dies die gezielte Beobachtung dieser Vorgänge.

„Mit Laserkühlung könnte es möglich werden, Zeitlupenfilme des Lebens in Aktion zu machen“, meint Pauzauskie. „Und der Vorteil dabei ist, dass man nicht die gesamte Zelle kühlen muss, was sie abtöten könnte oder ihr Verhalten verändern.“ (Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS), 2015; doi: 10.1073/pnas.1510418112)

(University of Washington, 18.11.2015 – NPO)