Nanoteilchen mit Licht lenken

  • 17. October 2016

Konzentrationsgefälle setzt Partikel in Flüssig­keiten in Bewegung.

Wie lassen sich mit einfachen Mitteln winzige Partikel zum Beispiel im mensch­lichen Körper an ein Ziel steuern? Wissen­schaftler der Unis Düssel­dorf und Stutt­gart und des MPI für intel­li­gente Systeme haben jetzt die Bewegung von winzigen, halb­seitig geschwärzten Glas­kügel­chen unter Licht­be­strahlung in einer Lösung unter­sucht. Dazu stellten sie winzige „Janus­partikel“ her. Inspiriert vom römischen Gott Janus mit seinen zwei Gesichtern ist die eine Seite der Kügel­chen mit einer schwarzen Kohlen­stoff­schicht über­zogen, während die andere aus normalem Glas besteht. Diese Teil­chen gaben sie in eine Mischung aus Wasser und einer orga­nischen Substanz. Beleuchtet man die Teil­chen, so erwärmt sich die dunkle Seite stärker, wodurch sich Wasser und die orga­nische Substanz ent­mischen. Es kommt zu einem Konzen­tra­tions­gefälle zwischen beiden Seiten des Kügel­chens. Dieses Konzen­tra­tions­gefälle will wieder ausge­glichen werden, weshalb die Flüssig­keiten um die Ober­fläche herum strömen. Das treibt die Kügel­chen in Richtung der transpa­renten Seite.

Janusteilchen

Abb.: Halbseitig mit Kohlen­stoff beschich­tete Janus­teil­chen navi­gieren ge­zielt weg von einer Licht­quelle. (Bild: C. Lozano, MPI für Intel­li­gente Systeme / U. Stutt­gart)

Im Zusammenspiel von Experiment und Theorie befassten sich die Forscher mit der Bewegung und den Steuerungs­möglich­keiten der Janus­teilchen. Zuerst interes­sierte sie was passiert, wenn die Teil­chen von einer Seite beleuchtet werden. „Wird ein solches Teil­chen schräg beleuchtet, dreht es sich so lange, bis die dunkle Seite voll im Licht steht“, erläutert Borge ten Hagen von der Uni Düssel­dorf, der das Verhalten mit Computer­simula­tionen unter­sucht hat. „Wenn es richtig gedreht ist, bewegt es sich entlang der Hell-Dunkel-Linie von der Beleuch­tungs­quelle weg in die Finsternis.“

Kombiniert man diesen Effekt mit einem periodischen Intensitäts­profil des Lichts, dann kommt es zu einem über­raschendes Phänomen: Wie von einer Ratsche gequetscht, fangen die Teilchen spontan an, sich in eine bestimmte Richtung zu bewegen, obwohl es keinen globalen Beleuch­tungs­gradienten gibt. Diese erzwungene Spontan­bewegung wurde in Computer­simula­tionen und in Experi­menten entdeckt und beschrieben.

Neben einem grundlegenden Verständnis der Photo­taxis führt dieses Bewegungs­verhalten zu vielen denk­baren Anwen­dungen. „In einer optischen Land­schaft können die Teilchen­bewegungen von außen gesteuert werden. So entstehen winzige Roboter, die sich in einer Flüssig­keit durch einfache äußere Signale lenken lassen", erklärt Hartmut Löwen von der Uni Düssel­dorf.

Weil sich ohne großen Aufwand Millionen dieser Mikro­schwimmer herstellen lassen, wird damit auch die Vision greif­barer, mit einem Heer von Robotern durch Blut­adern zu patrouil­lieren, um Krank­heits­herde wie etwa Tumore aufzu­spüren und zu behandeln. Hierbei ist man nicht auf optische Steuer­signale beschränkt: Ein ähnliches Verhalten wäre auch über chemische Konzen­tra­tions­gefälle im Blut­kreis­lauf – wie sie in der Umgebung von Tumoren ent­stehen – möglich.

HHU / RK

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