Unterwassertanz von Mikromagneten

Physik: Veröffentlichung in Nature Communications

22.11.2016 – Winzige magnetische Partikel, die mit einem zusätzlichen eigenen Antrieb ausgestattet sind, vollführen in einer Flüssigkeit hoch komplexe Bewegungsmuster. Physiker der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) und des Argonne National Laboratory in den USA haben diese „Unterwassertänze“ von Mikromagneten entdeckt und die Abhängigkeit ihrer Bewegungen von der Struktur, die die Teilchen in der Flüssigkeit einnehmen. Die Ergebnisse ihrer Simulationen stellen sie in der aktuellen Ausgabe der Fachzeitschrift Nature Communications vor.  

„Solche winzigen Mikromagnete kommen sogar in der belebten Natur vor“, so Prof. Dr. Hartmut Löwen vom Institut für Theoretische Physik II der HHU und einer der Autoren der Studie. Und zwar in so genannten magnetotaktischen Bakterien wie Magnetospirillum gryphiswaldense oder Magnetospirillum magnetotacticum . Diese Bakterien besitzen spezielle magnetische Zellorganellen („Magnetosome“), mit deren Hilfe sie sich an Magnetfeldern wie dem der Erde orientieren.

Die Physiker haben winzige, kugelförmige magnetische Eisenspäne am Computer modelliert. Diese Späne besitzen einen Selbstantrieb, so dass sie aktiv in einer Flüssigkeit schwimmen können. Somit kommt es zu einem Wettstreit zwischen der Schwimmbewegung und der gegenseitigen magnetischen Anziehung.

In den Computersimulationen beobachten die Forscher zum einen, dass sich die Teilchen aufgrund ihrer magnetischen Anziehung zu Clustern zusammenlagern. Kugelförmige Späne bilden Ketten oder Ringe. Wenn sich solche Cluster miteinander verbinden, beobachtet man komplexe Bewegungsmuster, sie führen quasi einen Unterwassertanz auf. Einen solchen watschelnden Tanz von zehn solcher Cluster kann hier betrachtet werden.  

„Unsere Ergebnisse zeigen, wie man das Schwimmverhalten von Mikromagneten steuern kann“, so Prof. Dr. Hartmut Löwen. Auch im Hinblick auf die winzigen Lebewesen bringen sie neue Erkenntnisse: „Wir bekommen so Anhaltspunkte zum Verhalten und Orientierungsvermögen der magnetotaktischen Bakterien“.

Originalpublikation 

Francisca Guzmán-Lastra, Andreas Kaiser & Hartmut Löwen , Fission and fusion scenarios for magnetic microswimmer clusters, Nature Communications, 7:13519, 22. November 2016

DOI: 10.1038/ncomms13519  

Dr.rer.nat. Arne Claussen
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Die Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) ist seit 1965 die Universität der Landeshauptstadt und eine feste Größe in der deutschen Hochschullandschaft.

An ihrer Medizinischen, Mathematisch-Naturwissenschaftlichen, Philosophischen, Wirtschaftswissenschaftlichen und Juristischen Fakultät studieren rund 31.000 Studierende. Im Fokus der wissenschaftlichen Forschung stehen traditionell die Lebenswissenschaften. Zuletzt konnte im Rahmen der „Exzellenzinitiative“ von Bund und Ländern die Förderung eines Exzellenzclusters in der Pflanzenzüchtungsforschung gewonnen werden.

Mehr zur HHU im Internet unter www.hhu.de.

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