5 Hersteller von Kapillaren im Jahr 2024

Was ist eine Kapillar?

Eine Kapillar ist ein enges Rohr, in dem Kapillarwirkung stattfindet. Unter Kapillarwirkung versteht man die Bewegung einer Flüssigkeit durch ein Kapillarrohr aufgrund der Oberflächenspannung der Flüssigkeit und ihrer Benetzung an der Innenwand des Kapillarrohrs.

Dieses Phänomen ist auf die intermolekularen Kräfte zwischen der Flüssigkeit und der umgebenden festen Oberfläche (z. B. Glas) zurückzuführen. Wenn der Durchmesser des Kapillarrohrs klein genug ist, wird das Gleichgewicht zwischen der Oberflächenspannung der Flüssigkeit und den Adhäsionskräften zwischen der Flüssigkeit und den Wänden des Behälters gestört, wodurch die Flüssigkeit angetrieben wird.

Auf diesem Prinzip beruht auch das Benetzungsphänomen von Pinseln, dünnen Rohren, porösen Materialien wie Papier und Gips, Sand. Es ist ein bekanntes Naturphänomen. Auch andere Mechanismen beruhen auf der Kapillarwirkung, z. B. saugen Pflanzen das Wasser aus ihren Wurzeln auf und transportieren es zu den Zellen im ganzen Körper; auch die Kapillarwirkung ist Teil dieses Mechanismus.

Kapillarwirkung in Haushaltswaren, Wissenschaft und Technik

1. Bekannte Beispiele für die Kapillarwirkung

Die Kapillarwirkung ist in Alltag überall zu finden. Betrachten wir ihren grundlegenden Mechanismus anhand des Aufwischens von Wasser mit einem Küchentuch.

Die Anziehungskraft zwischen gleichartigen Stoffen, z. B. zwischen Wassermolekülen, wird als Kohäsion bezeichnet. Die Anziehungskraft zwischen Stoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften, z. B. zwischen den feinen Fasern eines Küchentuchs und den Wassermolekülen, wird dagegen als Adhäsionskraft bezeichnet.

Wenn die Adhäsionskraft größer ist als die Kohäsionskraft, benetzen die Wassermoleküle die Oberfläche der Küchenhandtuchfasern und werden folglich in die Zwischenräume zwischen den Fasern gezogen. Die angezogenen Wassermoleküle werden dann von den Wassermolekülen, mit denen sie aufgrund der Kohäsionskraft in Kontakt kommen, zueinander hingezogen.

Infolgedessen zieht das führende Wassermolekül die nachfolgenden Wassermoleküle in die Zwischenräume zwischen den Fasern des Küchenhandtuchs. Aufgrund dieser unterschiedlichen Kohäsions- und Adhäsionskräfte dringt das Wasser mit einer konstanten Geschwindigkeit in das Küchentuch ein.

2. Kapillarwirkung und Dünnschichtchromatographie

Die Dünnschichtchromatografie ist ein chemisches Laborinstrument, bei dem ein dünner Film aus Kieselgel oder einer anderen stationären Phase auf eine Glas- oder Aluminiumplatte aufgebracht wird, um komplexe Verbindungen zu trennen. Die Kapillarwirkung wird auch bei dieser Analysetechnik erfolgreich genutzt.

Konkret wird bei dieser Analysetechnik ein Ende einer probenbestückten Dünnschicht in ein Lösungsmittel getaucht, wodurch sich das Lösungsmittel durch die Lücken in der stationären Phase von unten nach oben auf der Dünnschichtplatte bewegt.

3. Anwendung in der Kapillarelektrophorese

Die Kapillarelektrophorese ist eine analytische Methode zur Trennung von Spurenkomponenten durch Injektion einer elektrolytischen Probenlösung in ein Quarzglaskapillarrohr und Elektrophorese.

Im Vergleich zur Chromatographie wie HPLC oder Elektrophorese ist die Kapillarelektrophorese eine Analysemethode, die sich zum Nachweis von Komponenten aus kleinen Probenmengen eignet, da sie aus einer sehr kleinen Kapillartrenneinheit besteht und im Allgemeinen nur etwa 100 nl Probe benötigt.

Bei dieser Methode wird die Kapillare zunächst in eine Elektrolytpufferlösung getaucht, an deren Enden jeweils eine Anode und eine Kathode angeschlossen sind. An der Innenwand der Kapillare befinden sich Silanolgruppen (-SiOH), die bei Kontakt mit der Pufferlösung ionisieren und eine negative Ladung annehmen.

Diese negative Ladung zieht positiv geladene Substanzen aus der Pufferlösung an und bildet eine elektrische Doppelschicht auf der inneren Wandoberfläche. Legt man in diesem Zustand eine Spannung an, so bewegt sich die positive Ladung der mobilen Phase außerhalb der elektrischen Doppelschicht zur Kathode hin. Dadurch wird ein Fluss der mobilen Phase erzeugt, der als elektroosmotischer Fluss bezeichnet wird.

Bei der Kapillarelektrophorese bewegt sich das positiv geladene Material schnell zur Kathode und wird daher zuerst erfasst. Neutrale und negative Substanzen, die sich allein aufgrund ihrer elektrischen Eigenschaften nicht zur Kathode bewegen würden, bewegen sich ebenfalls zur Kathode und werden aufgrund des elektroosmotischen Flusses, der in der Kapillare auftritt, vom Detektor erfasst.

Im Allgemeinen werden Kapillaren mit einem Innendurchmesser von 20-100 µm verwendet. Je größer der Innendurchmesser ist, desto höher ist die Nachweisempfindlichkeit, sodass selbst Spurenelemente mit hoher Empfindlichkeit nachgewiesen werden können. Andererseits verbessert ein kleinerer Innendurchmesser die Auflösung.

Funktionsweise der Kapillarwirkung in Kapillaren

Kapillare (dünne, enge Röhren), die in Wasser eingetaucht sind, bilden einen Meniskus. Die Krümmung dieses Meniskus wird umso größer (d. h. der Krümmungsradius ist kleiner), je enger das Rohr ist. Die Krümmung bewirkt einen Druckunterschied an der Grenzfläche zwischen der Flüssigkeit und dem Gas. Flüssigkeiten mit einem scharfen Kontaktwinkel (z. B. Wasser auf Glas) bilden einen konkaven Meniskus, sodass der Flüssigkeitsdruck unterhalb des Meniskus geringer ist als der Atmosphärendruck.

Daher wird das Wasser in der Röhre durch den höheren Druck des Wassers außerhalb der Röhre (d. h. Wasser bei atmosphärischem Druck unterhalb der horizontalen Luft-Wasser-Grenzfläche) aus seiner Ausgangsposition dazu getrieben, auf gleicher Höhe durch die Röhre zu steigen.

Die Aufwärtsbewegung stoppt, wenn der Druckunterschied zwischen dem Wasser im Inneren des Rohrs und dem Wasser unterhalb der Ebene außerhalb des Rohrs durch den hydrostatischen Druck der Wassersäule im Inneren des Kapillarrohrs ausgeglichen wird.

Das bedeutet, dass der Wasserspiegel im Inneren der Röhre höher ist als der Wasserspiegel außerhalb der Röhre und die Wassermoleküle können sich um die Röhre herum anlagern und entgegen ihrem Gewicht auf diesem Wasserspiegel bleiben.

Herstellung von Kapillaren 

Kapillare werden hergestellt, indem man ein Glasrohr oder ein anderes langes, dünnes Glasgerät in der Mitte mit einem Gasbrenner erhitzt, um es weich zu machen, dann schnell von der Flamme nimmt und mit beiden Händen kräftig dehnt.

Unmittelbar nach dem Dehnen der Glaskapillarrohre ist diese noch heiß, daher sollte man den Bereich um den erhitzten Teil abkühlen lassen. Nachdem Sie sich vergewissert haben, dass das Glasrohr wieder Raumtemperatur angenommen hat, schneiden Sie mit einem Schneidewerkzeug, z. B. einem Ampullenschneider, alle überflüssigen Teile ab.

Passen Sie das Glasröhrchen schließlich auf eine für die Verwendung geeignete Länge an und bewahren Sie es in einem geeigneten Behälter auf, damit es nicht bricht. Neben den Glasröhrchen können auch Pasteurpipetten vorbereitet werden. Bei der Arbeit mit Glas ist Vorsicht geboten, da es zu Schnittverletzungen und Verbrennungen kommen kann; daher sollte man eine Schutzausrüstung tragen und vorsichtig sein.