Wachstumskontrolle mikroskopischer Zweibeiner mit magnetischen Loops
Forschende der Universität Bayreuth haben ein neues Verfahren zur Wachstumskontrolle von physikalischen Mikro-Läufern entwickelt. Sie verwendeten ein externes Magnetfeld, um paramagnetische kolloidale Kugeln zu Stäben bestimmter Länge zusammenzubauen. Kolloidale Teilchen sind winzige Partikel im Nano- oder Mikrometerbereich, die in der Medizin unter anderem Träger von 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 kann von großem Nutzen in sogenannten Lab-on-a-chip-Devices (Miniaturlaboren) und der medizinischen Diagnostik sein. Die Forschungsergebnisse wurden nun in der renommierten Zeitschrift „Nature Communications“ veröffentlicht.
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.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Prof. Dr. Thomas Fischer
Experimentalphysik Universität Bayreuth
Telefon: +49 (0) 921 55 33 42
Mail: Thomas.fischer@uni-bayreuth.de
Originalpublikation:
Elschner, J., Farrokhzad, F., Kúswik, P. et al. Topologically controlled synthesis of active colloidal bipeds. Nat. Commun. 15, 5735 (2024); DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-50023-7
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