Der Kraftstoffverbrauch eines Mikroschwimmers

Wie viel Energie ein Mikroschwimmer zur Fortbewegung benötigt, lässt sich nun leichter bestimmen. Wissenschaftler der Abteilung Physik Lebender Materie am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (MPI-DS) haben ein allgemeines Theorem aufgestellt, mit dem die für den Antrieb benötigte minimale Energie berechnet werden kann. Diese Erkenntnisse verbessern das Verständnis für den praktischen Einsatz von Mikroschwimmern, wie beispielsweise beim gezielten Transport von Molekülen und Substraten.

Eine der wichtigsten Eigenschaften eines Fahrzeugs, sei es ein Auto, ein Flugzeug oder ein Schiff, ist der Kraftstoffverbrauch auf einer bestimmten Strecke mit einer bestimmten Geschwindigkeit. Auf mikroskopischer Ebene gibt es kleine Objekte, die sich in einer flüssigen Umgebung selbst fortbewegen können. Zu diesen so genannten Mikroschwimmern gehören Bakterien und andere Mikroorganismen, die sich selbst mit Hilfe von Zilien oder Geißeln antreiben, aber auch künstlich hergestellte Objekte. Während sich biologische Mikroben im Laufe der Evolution zu effizienten Schwimmern herangebildet haben, ist ein genaues Verständnis der Mechanismen hinter dem Selbstantrieb erforderlich, um auch effiziente künstliche Mikroschwimmer zu entwickeln.

Ein neuer Ansatz zur Beschreibung der Bewegung von Mikroschwimmern

Während viele bisherige Modelle Mikroschwimmer betrachteten, als würden sie von einer äußeren Kraft mitgezogen, konzentriert sich das neue Modell auf die für den Eigenantrieb des Mikroschwimmers erforderliche Energie. "Viele Optimierungsprobleme, die in der Vergangenheit den Einsatz von Computern erforderten, können nun mit Stift und Papier gelöst werden", erklärt Andrej Vilfan, Gruppenleiter am MPI-DS. Die Ergebnisse können auch genutzt werden, um die effizienteste Form von aktiven Mikroschwimmern zu berechnen. "Während die resultierenden Formen auf den ersten Blick überraschend erscheinen, zeigt sich bei näherer Betrachtung, dass sie tatsächlich verblüffende Ähnlichkeiten mit den in der Natur vorkommenden Formen aufweisen", erklärt Vilfan.

Optimierung des Designs von künstlichen Mikroschwimmern

Das neu vorgeschlagene Modell erklärt den Unterschied in der Entropieproduktion zwischen aktiven Mikroschwimmern und von außen angetriebenen Teilchen. Auf der mikroskopischen Skala spielen entropische Effekte eine entscheidende Rolle für die Bewegung von Teilchen. "Unsere Ergebnisse haben daher Auswirkungen auf verschiedene Forschungsbereiche wie Mikrofluidik, Biophysik und Materialwissenschaften", fasst Abdallah Daddi-Moussa-Ider, Erstautor der Studie, zusammen. Mikroschwimmer haben das Potenzial, Partikel und Moleküle, wie beispielsweise medizinische Wirkstoffe, gezielt zu einem Zielgebiet zu transportieren. "Ein tiefgreifendes Verständnis der Bewegungsprinzipien der Mikroschwimmer eröffnet daher viele Möglichkeiten für Innovationen und praktische Anwendungen", fasst Daddi-Moussa-Ider zusammen.

Originalpublikation:
https://www.nature.com/articles/s41467-023-41280-z#citeas

Weitere Informationen:
https://www.ds.mpg.de/4028623/231012_microswimmers?c=148849