Mit Mikropartikeln in die Finsternis

Physik: Veröffentlichung in Nature Communications

30.09.2016 – Wie können mit einfachen Mitteln winzige Partikel zum Beispiel im menschlichen Körper an ein Ziel gesteuert werden? Wissenschaftler aus Düsseldorf und Stuttgart haben die Bewegung von winzigen, halbseitig geschwärzten Glaskügelchen unter Lichtbestrahlung in einer Lösung untersucht. Dass sich die Teilchen durch ein Lichtfeld gezielt lenken lassen, beschreiben sie in der aktuellen Ausgabe des Fachmediums Nature Communications.

Manche Bakterien zieht es zum Licht, andere in die Dunkelheit. Den einen ermöglicht dieses Verhalten, die Sonnenenergie möglichst effizient für ihren Stoffwechsel auszunutzen, die anderen schützen sich so vor zu hohen Lichtintensitäten. Die Bewegungsbeeinflussung durch Licht bezeichnet man auch als Phototaxis. Phototaktisches Verhalten auch auf künstliche Mikropartikeln zu übertragen, wäre für vielfältige Anwendungen, etwa in der Medizin, wünschenswert.

Forscher der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf haben zusammen mit Wissenschaftlern der Stuttgarter Universität und dem dortigen Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme die Möglichkeiten der Lichtsteuerung von künstlichen Teilchen untersucht. Dazu stellten sie winzige „Januspartikel“ her. Inspiriert vom römischen Gott Janus mit seinen zwei Gesichtern ist die eine Seite der Kügelchen mit einer schwarzen Kohlenstoffschicht überzogen, während die andere aus normalem Glas besteht. Diese Teilchen gaben sie in eine Mischung aus Wasser und einer organischen Substanz. Beleuchtet man die Teilchen, so erwärmt sich die dunkle Seite stärker, wodurch sich Wasser und die organische Substanz entmischen. Es kommt zu einem Konzentrationsgefälle zwischen beiden Seiten des Kügelchens. Dieses Konzentrationsgefälle will wieder ausgeglichen werden, weshalb die Flüssigkeiten um die Oberfläche herum strömen. Dies treibt die Kügelchen in Richtung der transparenten Seite.

Im Zusammenspiel von Experiment (Stuttgart) und Theorie (Düsseldorf) befassten sich die Forscher mit der Bewegung und den Steuerungsmöglichkeiten der Janusteilchen. Zuerst interessierte sie was passiert, wenn die Teilchen von einer Seite beleuchtet werden. „Wird ein solches Teilchen schräg beleuchtet, dreht es sich ähnlich wie ein Ruderer, der zum Steuern die Ruder ungleichmäßig zieht, so lange, bis die dunkle Seite voll im Licht steht“, erläutert Dr. Borge ten Hagen, der das Verhalten in Düsseldorf mit Computersimulationen untersucht hat. „Wenn es richtig gedreht ist, bewegt es sich entlang der Hell-Dunkel-Linie von der Beleuchtungsquelle weg in die Finsternis.“

Kombiniert man diesen Effekt mit einem periodischen Intensitätsprofil des Lichts, dann gibt es ein überraschendes Phänomen: Wie von einer Ratsche gequetscht, fangen die Teilchen spontan an, sich in eine bestimmte Richtung zu bewegen, obwohl es keinen globalen Beleuchtungsgradienten gibt. Diese erzwungene Spontanbewegung wurde in Computersimulationen und in Experimenten entdeckt und beschrieben.

Neben einem grundlegenden Verständnis der Phototaxis  führt dieses entdeckte Bewegungsverhalten zu vielen denkbaren Anwendungen: „In einer optischen Landschaft können die Teilchenbewegungen von außen gesteuert werden. So entstehen winzige Roboter, die sich in einer Flüssigkeit durch einfache äußere Signale lenken lassen", erklärt Prof. Dr. Hartmut Löwen vom Institut für Theoretische Physik II.

Weil sich ohne großen Aufwand Millionen dieser Mikroschwimmer herstellen lassen, wird damit auch die Vision greifbarer, mit einem Heer von Robotern durch Blutadern zu patrouillieren, um Krankheitsherde wie etwa Tumore aufzuspüren und zu behandeln. Hierbei ist man nicht auf optische Steuersignale beschränkt; ein ähnliches Verhalten wäre auch über chemische Konzentrationsgefälle im Blutkreislauf – wie sie in der Umgebung von Tumoren entstehen – möglich.

Originalveröffentlichung

C. Lozano, B. ten Hagen, H. Löwen & C. Bechinger , Phototaxis of synthetic microswimmers in optical landscapes, Nature Communications, 7:12828, 30. September 2016

DOI: 10.1038/ncomms12828  

Kontakt

Prof. Dr. Hartmut Löwen
Institut für Theoretische Physik II: Weiche Materie
Tel.: 0211/81-11377
E-Mail: hlowen@hhu.de

Dr.rer.nat. Arne Claussen
Stabsstelle Kommunikation

Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Universitätsstraße 1
40225 Düsseldorf
Tel.:   49 211 81-10896
Fax:   49 211 81-15279
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