Licht setzt aktive Materialien in Bewegung
Theoretische Physik: Publikation in ScienceAdvances
13.06.2016 – „Aktive Materialien“ sind eines der spannendsten Forschungsfelder der Materialwissenschaften. Forscher von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf und der Universitäten in Lund, Edinburgh und Cambridge haben eine verblüffend einfache Möglichkeit gefunden, die kollektive Bewegung von Teilchen in aktiven Materialien und damit deren Eigenschaften zu steuern. Ihre Ergebnisse veröffentlichte das internationale Forscherteam in der Fachzeitschrift ScienceAdvances.
Sogenannte „selbstangetriebene kolloidale Teilchen“ sind Objekte im Mikrometerbereich, die sich selbstständig fortbewegen können. In der Natur kennt man solche Objekte in Form von Mikroorganismen, etwa Bakterien. Diese erzeugen die Energie für ihre Fortbewegung selbst, indem sie Nährstoffe verstoffwechseln.
Heute interessiert man sich immer mehr auch für künstlich hergestellte, selbstangetriebene kolloidale Teilchen, denn sie versprechen ein breites Anwendungsspektrum: In der Medizin können solche Teilchen gezielt Wirkstoffe in bestimmte Körperteile transportieren, wo sie gebraucht werden. Normale Medikamente verteilen sich durch den Blutkreislauf dagegen ungesteuert im ganzen Körper, das eigentliche Einsatzgebiet erreichen nur geringe Dosen. „Antriebsenergie“ erhalten solche künstlichen Teilchen über chemische Reaktionen, über Licht oder Ultraschall.
Eine Gruppe schwedischer, britischer und deutscher Physiker mit Dr. Raphael Wittkowski vom Institut für Theoretische Physik II der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf konzentrierte sich auf sogenannte „aktive Materialien“. Dies sind in der Regel Flüssigkeiten, die aus selbstangetriebenen kolloidalen Teilchen bestehen. Aktive Materialien sind besonders für Materialwissenschaftler interessant, da sie gänzlich andere Eigenschaften als gewöhnliche Materialien besitzen. Diese Eigenschaften können vielfach aktiv verändert werden, wenn die Bewegung der selbstangetriebenen kolloidalen Teilchen von außen gesteuert werden kann.
Die Forscher haben mit Hilfe von Simulationen und theoretischen Modellen eine einfache Möglichkeit gefunden, aktive Materialien mit Licht zu steuern. Bereits bekannt war, dass sich Dichteunterschiede der Teilchen durch räumlich unterschiedliche Lichtintensitäten erreichen lassen: In Bereichen geringer Intensität bewegen sich die Teilchen langsamer, in solchen mit höherer Intensität schneller. Durch diese unterschiedlichen Geschwindigkeiten reichern sich die Teilchen in dunkleren Bereichen an. Die Forscher fanden nun heraus, dass asymmetrische Beleuchtungsmuster zu asymmetrischen Dichteverteilungen führen, die wiederum gerichtete und über die Beleuchtung steuerbare Teilchenströmungen hervorrufen.
Allein durch eine asymmetrische Beleuchtung kann man damit das Material in Bewegung setzen, es etwa zirkulieren lassen oder in eine bestimmte Richtung pumpen. Solche Beleuchtungen erreicht man im einfachsten Fall durch unterschiedlich dunkle Filter. Möglich ist aber auch eine aktive Echtzeitsteuerung, wenn man eine elektronisch gesteuerte, ortsabhängige Beleuchtung einsetzt.
Der Schwerpunkt von Dr. Raphael Wittkowski lag auf der theoretischen Beschreibung der beobachteten Effekte mittels zu diesem Zweck hergeleiteter Feldgleichungen. Dr. Wittkowski zu den weiteren Perspektiven der Forschung: „Das Steuern der Bewegung selbstangetriebener kolloidaler Teilchen ist im Hinblick auf Anwendungen von großer Bedeutung. Insbesondere wenn solche Teilchen im medizinischen Bereich eingesetzt werden sollen, muss ihre Steuerbarkeit noch weiter verbessert werden. Hierauf werden wir uns in Zukunft konzentrieren.“
Originalpublikation
J. Stenhammar, R. Wittkowski, D. Marenduzzo and M. E. Cates, „Light-induced self-assembly of active rectification devices”, ScienceAdvances, Vol. 2, No. 4, e1501850, 01.04.2016
DOI: 10.1126/sciadv.1501850
http://advances.sciencemag.org/content/2/4/e1501850
Kontakt
Dr. Raphael Wittkowski
Institut für Theoretische Physik II (Weiche Materie)
Tel.: 0211 – 81 12261
E-Mail: raphael.wittkowski@thphy.uni-duesseldorf.de
Dr.rer.nat. Arne Claussen
Stabsstelle Kommunikation
Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf
Universitätsstraße 1
40225 Düsseldorf
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arne.claussen@hhu.de
www.hhu.de
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