Wachstumskontrolle mikroskopischer Zweibeiner mit magnetischen Loops
Universität Bayreuth, Pressemitteilung Nr. 074 vom 18.07.2024
Forschende der Universität Bayreuth haben ein neues Verfahren zur Wachstumskontrolle von physikalischen Mikro-Läufern entwickelt. Die Forschungsergebnisse wurden nun in der renommierten Zeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.
What for?
Die Bayreuther Forschenden verwendeten ein externes Magnetfeld, um paramagnetische – also nur durch externe Einflüsse magnetische – kolloidale Kugeln zu Stäben bestimmter Länge zusammenzubauen. Kolloidale Teilchen sind winzige Partikel im Nano- oder Mikrometerbereich, die in der Medizin unter anderem Träger von Biochemika wie Enzymen oder Aminosäuren sein können. Diese sogenannten mikroskopischen Zweibeiner ändern von selbst ihr Verhalten, sobald sie ausgewachsen sind: Dann nämlich entscheiden sie wegzulaufen. Hierzu ist kein Eingreifen von außen notwendig. Trotzdem ist ihr Verhalten nicht zufällig, sondern folgt dem Plan der Experimentierenden. Entwickelt wurde eine Wachstumskontrolle der Struktur, um die gewünschte Länge zu erreichen. Dies ist eine technisch relevante Forschungsfrage und könnte von großem Nutzen in sogenannten Lab-on-a-chip-Devices (Miniaturlaboren) und der medizinischen Diagnostik sein.
Abbildung a zeigt ein magnetisches Metamorphosen-Muster aus Flächen positiver (weiß) und negativer (schwarz oder farbig) Magnetisierung. Einzelne kolloidale Partikel (rot) bewegen sich zur aktiven Linie des Musters und verbinden sich zu Zweibeinern verschiedener Längen. Abbildung b zeigt die beiden im Experiment verwendeten magnetischen Loops. Einer bewegt die Mikrokugeln zur Linie und der andere lässt die ausgewachsenen Zweibeiner weglaufen.
In dieser Arbeit haben Jonas Elschner, Farzaneh Farrokhzad, Prof. Dr. Daniel de las Heras und Prof. Dr. Thomas Fischer vom Lehrstuhl für Experimentalphysik der Universität Bayreuth eine mikroskopische Fabrik für kleine Läufer entwickelt: eine Zweibeiner-Fabrik. Dort werden Mikrokugeln mittels magnetischer Kräfte zu Zweibeinern verbunden und verlassen die Fabrik, sobald sie ausgewachsen sind.
Dies wird mittels eines magnetischen Metamorphosen-Musters aus entgegengesetzt magnetisierten Flächen umgesetzt, die je nach Position unterschiedlich angeordnet sind. Paramagnetische Mikrokugeln werden auf dem Muster platziert, und ein externer zeitabhängiger magnetischer Loop wird auf das System angewandt. Dieser wird so gewählt, dass sich die Partikel während einer zeitlichen Periode eine oder mehrere räumliche Perioden lang bewegen. Mit einem passend designten Loop können unterschiedliche Partikel sogar in unterschiedliche Richtungen transportiert werden, sodass sie sich treffen und zu Stäben unterschiedlicher Längen verbinden. Sobald diese zur gewünschten Länge ausgewachsen sind, verlassen sie selbstständig die Fabrik und laufen als Zweibeiner über das Muster.
In Experimenten konnte die Gruppe mit diesem System gezielt Zweibeiner sechs unterschiedlicher Längen herstellen. Videos davon finden sich auf der Seite des unten verlinkten Artikels.
Die Ergebnisse sind in Zusammenarbeit von Universität Bayreuth, Universität Kassel und Polnischer Akademie der Wissenschaften entstanden.
Originalpublikation:
T. Elschner, F. Farrokhzad, P. Kuświk, M. Urbaniak, F. Stobiecki, S. Akhundzada, A. Ehresmann, D. de las Heras, T. Fischer,
Topologically controlled synthesis of active colloidal bipeds
Nature Communications 15, 5735 (2024)
Prof. Dr. Thomas Fischer
Experimentalphysik X
Universität Bayreuth
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Anja-Maria Meister
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