Synthetische Mikroschwimmer: Leblose Mikropartikel zeigen ein komplexes Verhalten.

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Die TU Dresden Freigeist-Stipendiatin Dr. Juliane Simmchen untersucht mit ihrer multidisziplinären Nachwuchsgruppe die Bewegung von synthetischen Mikroschwimmern in Flüssigkeiten. Ihr Ziel ist es, diese unbelebten Mikropartikel in die Lage zu versetzen, sich von selbst in eine bestimmte Richtung zu bewegen und so in Zukunft in der Sensorik oder der biologischen Reinigung eingesetzt werden zu können. “Eigentlich ist es ein bisschen wie bei Computerspielen im Labor”, beschreibt die Chemikerin im Interview mit der Volkswagen-Stiftung ihre aussergewöhnliche Forschungsarbeit.

Die Simmchen-Gruppe arbeitet mit den so genannten “Januspartikeln”. Diese bestehen aus einem Körper aus Titandioxid mit zwei unterschiedlich beschichteten Seiten: eine Seite mit einer katalytisch aktiven Schicht aus Nickel und Gold, die andere Seite bleibt unbehandelt. Titandioxid wird als Bleichmittel, zum Beispiel in Wandfarben, eingesetzt, reagiert aber auch mit Licht. Dadurch sind Janus-Teilchen photokatalytisch, d.h. sobald Licht auf sie trifft, kommt es zu chemischen Reaktionen, die eine Bewegung auslösen.

Die Gruppe hat nun ein äusserst ungewöhnliches Phänomen bei der Bewegung von Janus-Partikeln beobachtet und analysiert: Sobald die Partikel eine beleuchtete Zone im Mikroskop verlassen, drehen sie sich von selbst um und schwimmen zurück – ein Verhalten, das eigentlich nur von Mikroorganismen bekannt ist. Doch wie kann ein solch komplexes Verhalten bei synthetischen Mikroschwimmern ausgelöst werden?

Erstautor Lukas Niese und Dr. Simmchen konnten zeigen, dass, solange die Partikel im Licht aktiv sind, ihre Schwimmrichtung durch eine Kombination physikalisch-chemischer Effekte stabilisiert wird. Sobald die Teilchen nicht mehr dem Licht ausgesetzt sind, findet keine Energieumwandlung statt und die Bewegungsrichtung ist nicht mehr stabil. “In diesem Fall”, erklärt Lukas Niese, “setzt die natürliche thermische Bewegung (Brownsche Bewegung) ein. Dadurch kippen die Partikel praktisch um, und dann schwimmen sie zurück in den exponierten Bereich.

“Die Tatsache, dass so einfache Effekte wie die Brownsche Bewegung zu einem so komplexen Verhalten führen können, war ziemlich erstaunlich und beeindruckend, insbesondere im Hinblick auf die Evolution und die Entwicklung von Fähigkeiten. Wir konnten diese Eigenschaft für die gezielte Steuerung von Mikrorobotern nutzen. Denkbar sind Anwendungen, bei denen die Partikel Schadstoffe aus Flüssigkeiten filtern und entfernen oder Medikamente durch den Körper transportieren und vielleicht sogar Informationen transportieren”, erläutert Dr. Simmchen die Bedeutung der Entdeckung.

Referenz: “Scheinbare Phototaxis ermöglicht durch Brownsche Bewegung” von Lukas Niese, Linlin Wang, Sayan Das und Juliane Simmchen, 20. Oktober 2020, Weiche Materie.
DOI: 10.1039/D0SM01603A.

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