Dynamik kolloidaler Teilchen

  • 05. October 2017

Ein einfaches Modellsystem zeigt komplexe Wechsel­wirkungen von Kolloid­teilchen in Suspen­sionen.

Was die Fort­bewegung von uns Menschen angeht, so gibt es nicht mehr allzu viel Neues zu entdecken: Wir laufen, rennen, gehen, hüpfen, kriechen mitunter auch mal auf allen Vieren. Anders dagegen sieht es auf der Mikro­skala aus: Kolloi­dale Teilchen von weniger als einem tausendstel Milli­meter Größe, die fein verteilt in einem Träger­medium schwimmen, haben weitaus weniger Möglich­keiten zur Fort­bewegung. Und es ist bislang nur wenig darüber bekannt, wie solche kolloi­dalen Teilchen vorwärts­kommen.

Abb.: Gemessene Teilchenbahnen über einen Zeitraum von fünf Minuten. Aufgrund der wechselseitigen Anziehung bilden sich Aggregate von Teilchen, deren Dynamik und Struktur gut mit den theoretischen Vorhersagen übereinstimmen. (Bild: T. Speck, JGU)

Abb.: Gemessene Teilchenbahnen über einen Zeitraum von fünf Minuten. Aufgrund der wechselseitigen Anziehung bilden sich Aggregate von Teilchen, deren Dynamik und Struktur gut mit den theoretischen Vorhersagen übereinstimmen. (Bild: T. Speck, JGU)

Forscher der Johannes Guten­berg-Univer­sität Mainz JGU haben nun Licht in dieses Dunkel gebracht. Sie haben mikrometer­große Teilchen entdeckt, die eine spezielle Strömung erzeugen und andere Teilchen über diese anziehen. „Man kann sich diese Teilchen wie Markt­schreier vorstellen, die mit ihren Rufen andere Personen auf den Markt locken“, sagt Thomas Palberg vom Institut für Physik. Der „Ruf“ dieser Teilchen hallt weit. Obwohl sie nur einige Mikro­meter groß sind, wirkt ihre Strömung noch in Millimeter­abständen – die Reich­weite ihrer Strömung übersteigt ihre eigene Größe also um ein Tausend­faches.

Die Forscher haben diese Teilchen nicht nur entdeckt, sondern ihre Anziehung vermessen und quantitativ beschrieben. Zudem fanden sie heraus, wie die Teilchen die Strömung erzeugen. „Die Teilchen tauschen ihre Protonen gegen Verun­reinigungen aus. Dadurch entsteht ein pH-Gradient, die elek­trischen Ladungen werden getrennt, die Raum­ladungszone setzt sich in Bewegung und zieht das umge­bende Wasser mit – es entsteht eine Strömung“, beschreibt Palberg. Den gesamten Prozess der Fort­bewegung können die Wissen­schaftler im Computer simu­lieren. Für ihre Experi­mente nutzen sie negativ geladene Plastik­kügelchen, die in salzarmem oder destil­liertem Wasser schwimmen. Diese Kügel­chen untersuchen sie mit Video­mikroskopie und anderen optischen Methoden.

Zwar reicht die Anziehung, die die Markt­schreier-Teilchen mit ihrer Strömung erzeugen, milli­meterweit. Aller­dings ist sie nicht überall gleich stark. Teilchen, die sich in der Nähe der Markt­schreier befinden, werden stärker angezogen als weit entfernte Partikel. Kommen sie dem Markt­schreier jedoch zu nah, schlägt die Anziehung ins Gegenteil um – die Teilchen werden abgestoßen. Das führt dazu, dass die Teilchen sich im Abstand von einem Partikel­durchmesser rund um den Markt­schreier anordnen.

„Die kolloi­dale Suspension, die wir entwickelt haben, dient als einfaches Modell­system. Mit diesem können wir zum einen Computer­simulationen überprüfen und validieren, zum anderen Situationen unter­suchen, in denen sich das System nicht im Gleich­gewicht befindet – also etwa den Transport auf der Mikro­skala. Interessant ist das beispiels­weise für selbst­organisierende Beschichtungs­techniken, wo man genau wissen will, wie sich die Teilchen zur zu beschich­tenden Ober­fläche hinbewegen. Oder auch für Drug Delivery, bei dem das Medi­kament über kleine Trans­porter direkt an die Stelle im Körper gelotst wird, an der es benötigt wird", erläutert Palberg

JGU Mainz / JOL

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