Forschungsergebnisse

Der Begriff Mikroschwimmer umfasst alle aktiv schwimmenden, wenige Mikrometer großen Teilchen von Spermien über Bakterien bis hin zu künstlichen Partikeln. Entsprechend vielfältig sind ihre Antriebsarten und Energiequellen. Ein prominentes Beispiel sind Partikel aus Halbleitermaterialien. Sie bewegen sich dank chemischer Reaktionen mit ihrer Umgebung, gewinnen ihre Energie dabei durch die Absorption von Licht. Im Dunkeln war daher bislang Schluss mit der Fortbewegung. Ein Team vom Exzellenzcluster e-conversion unter Leitung von LMU-Chemikerin Bettina Lotsch hat die Partikel jetzt mit einer raffinierten Ladefunktion ausgestattet, die sie auch ohne Licht weiterschwimmen lässt.

Diese Fähigkeit macht sie für den Wirkstofftransport interessant. Hier bringen kleinste Partikel Wirkstoffe gezielt an ihren Einsatzort wie Gewebe im menschlichen Körper. Die neuen Mikroschwimmer bringen dafür beste Voraussetzungen mit. Sie bewegen sich dank des internen Ladespeichers bis zu 30 Minuten ohne zusätzliche externe Energiequelle. Zusätzlich können die aus weitgehend biokompatiblen Materialien bestehenden Partikel aufgrund ihrer porösen organischen Struktur auch mit Wirkstoffen beladen werden. Auch ihr Einsatz in der Umwelttechnik zur autonomen Aufbereitung von Abwasser wäre denkbar.

Metall-Mützen bringen Mikroschwimmer in Schwung
In dem Forschungsprojekt arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der LMU München und von zwei Stuttgarter Max-Planck-Instituten zusammen. Federführend sind dabei die Gruppen der e-conversion Wissenschaftlerin Bettina Lotsch, Chemie-Professorin an der LMU und Direktorin am MPI für Festkörperforschung, sowie von Metin Sitti am MPI für Intelligente Systeme. Das Geheimnis des Antriebs und der Energiespeicherung liegt sowohl in den ungewöhnlichen Speichereigenschaften des Halbleitermaterials, zudem haben die Mikroschwimmer zwei unterschiedliche Seiten, die maßgeschneidert zusammenarbeiten. Die eine Seite besteht aus dem auf Kohlenstoff basierenden Halbleitermaterial Poly(Heptazin-Imid) - PHI. „Es ist das erste „nachhaltige Sonnenbatterie-Material“, das die Funktionen von Solarzelle und Batterie koppelt“, sagt Filip Podjaski, Mitarbeiter von Bettina Lotsch und einer der beiden Erstautoren der Publikation. „Man kann es günstig und in großen Mengen aus nachwachsenden Rohstoffen und sogar aus Urin herstellen. Und es ist erstaunlich robust und vielseitig einsetzbar.“ Die zweite Hälfte der PHI-Kugel ist mit Platin oder auch Gold überzogen. Diese Metalle sind gezielt gewählte Katalysatoren, die durch Oberflächenreaktionen eine effiziente Ankopplung an die Umgebung ermöglichen und so den Vortrieb stark beeinflussen.

Im Englischen sprechen die Fachleute von caps, also von einer Art Kugeln, die eine Mütze tragen. Während die Halbleiter-Hälfte Sonnenenergie tankt und angeregte Elektronen und Elektronenlöcher erzeugt, hilft die Metall-Mütze bei der Ladungstrennung. Wie funktioniert jetzt aber das Schwimmen und Speichern? Im Regelfall reagieren nun die Elektronen und die Elektronenlöcher mit Wasser oder mit hinzugefügten Treibstoffen wie Alkoholen oder Wasserstoffperoxid. Durch die zweigeteilte Struktur laufen diese Oberflächenreaktionen unsymmetrisch ab, auf einer Seite stärker, auf einer schwächer. Die dabei erzeugten Konzentrationsunterschiede der Produkte sind letztendlich für den Vortrieb verantwortlich.
Winzige Solar-Batterie
Schon unter Beleuchtung in Wasser bewegen sich die Testpartikel vergleichsweise schnell, die Zugabe von Alkohol hat aber einen klar anregenden Effekt auf alle untersuchten Partikelformen. Anders sieht es in 0,5% Wasserstoffperoxid aus. Während mit Gold überzogene Partikel hier eine sehr hohe Aktivität aufweisen, bewegen sich die Mikroschwimmer mit Platin relativ langsam. Was auf den ersten Blick ein Nachteil scheint, erklärt, warum nur diese Kombination zu einem aufladbaren Mikroschwimmer führt. Platin ist ein exzellenter Elektrokatalysator, der Wasserstoffperoxid mit einer ähnlich hohen Rate umsetzt wie das Halbleitermaterial PHI. Es fehlt daher der Konzentrationsunterschied, der die Mikroschwimmer sonst antreibt.

Zunächst scheint auch das Speichern ein Problem zu sein. Denn wie in einem Tank mit Löchern reagieren viele frisch angeregte Elektronen sofort mit ihrer Umgebung und gehen für die Speicherung somit verloren. Der organische Halbleiter und das Platin sind gemeinsam aber so aktiv, dass ein Überschuss an angeregten Elektronen entsteht, die stabilisiert und somit gespeichert werden können. Das Verhältnis von Ladezeit zu Bewegungsdauer wäre für Standard-Elektroautos traumhaft: 30 Sekunden Sonnenbaden reichen für bis zu 30 Minuten Schwimmen im Dunkeln.

Beide Lösungsmittel, Alkohol und Wasserstoffperoxid, schließen eine Anwendung in menschlichem Gewebe auf den ersten Blick aus. Bettina Lotsch und ihr Team sind jedoch schon einen Schritt weiter. „Im Körper gibt es auch andere Stoffe, die ein Schwimmen und Aufladen erlauben“ erklärt die Chemikerin. „Wir untersuchen aktuell die entsprechenden Möglichkeiten der organischen Mikroschwimmer und erste Ergebnisse zeigen, dass Schwimmen, Aufladen und sogar der Transport von Wirkstoffen unter physiologischen Bedingungen machbar ist.“

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Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Prof. Dr. Bettina Valeska Lotsch
Department Chemie
Ludwig-Maximilians-Universität München
Butenandtstr. 5-13, Haus D
81377 München
Tel.: +49 (0)89 2180-77429

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Originalpublikation:
Carbon nitride-based light-driven microswimmers with intrinsic photocharging ability. V Sridhar, F Podjaski, J Kröger, A Jiménez-Solano, B-W Park, B V Lotsch, M Sitti. Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) 2020 (first published online Sept 21, 2020).
DOI: 10.1073/pnas.2007362117