Hüpfendes Bläschen treibt Mikro-U-Boote an - wissenschaft.de
Anzeige
Anzeige

Technik+Digitales Videos

Hüpfendes Bläschen treibt Mikro-U-Boote an

Kraftvolle Winzlinge, präzise steuerbar: Nanotechnologen haben raffinierte Mikroschwimmer entwickelt, die Silikatkügelchen zu Buchstaben anordnen, Zellen in Position schubsen und sogar Treppen hochsteigen können. Die winzigen U-Boote werden durch die Bewegungen eines Bläschens im Bann von Ultraschallwellen angetrieben und durch Magnetfelder gelenkt. Dieses Antriebskonzept könnte neue Möglichkeiten in der Medizin, Chemie und Nanotechnik eröffnen, sagen die Wissenschaftler.

Zarte Pinzetten oder dünne Nadeln kommen traditionell zum Einsatz, wenn Forscher und Mediziner etwas im Mikromaßstab manipulieren wollen. Doch neben diesen Techniken ist in den vergangenen Jahren ein weiteres, kontaktfreies Verfahren entstanden: Laser können optische Pinzetten bilden und dadurch präzise Eingriffe auf mikroskopischer Ebene ermöglichen. Diese Technologie wurde 2018 mit dem Nobelpreis für Physik geehrt. Doch sie hat Nachteile: Laser können nur recht wenig Kraft erzeugen – sie reicht für bestimmte mechanische Manipulationen nicht aus. Außerdem kann Laserlicht organische Materialien schädigen.

Im Bann von Schall und Magnetkraft

Als Alternative wurden in den letzten Jahren Konzepte entwickelt, die auf der Bewegung von winzigen Objekten durch Ultraschall oder Magnetkraft basieren. Bisher lassen die Kraftentwicklung und Steuerbarkeit von Mikroschwimmern auf der Basis dieser Techniken aber zu wünschen übrig, berichtet das Team aus US-amerikanischen und chinesischen Wissenschaftlern in der Fachzeitschrift „Science Advances“. Ihnen zufolge bietet ihr neues Hybrid-System nun mehr Möglichkeiten zur Manipulation von Objekten auf der Mikroebene.

Bei den Mikroschwimmern der Wissenschaftler handelt es sich um Gebilde, die an hohle, nach unten offene Patronenhülsen erinnern. Sie bestehen aus einer durch 3D-Druckverfahren hergestellten Polymerstruktur, die mit Gold beschichtet ist. Zusätzlich verfügen die Kapseln im vorderen Bereich über eine Schicht aus Nickel, wodurch sie sich durch Magnetfelder ausrichten lassen. Die innere Oberfläche der Hülse ist chemisch behandelt, damit sie Wasser abweist. Dies führt dazu, dass sich in dem Gebilde beim Eintauchen in Wasser eine winzige Luftblase bildet.

Anzeige

Schnell und präzise steuerbar

Dieser Effekt wird zum Schlüsselelement des Systems, berichten die Wissenschaftler: Die Blase fungiert als Motor des winzigen Gefährts. Sie wird dazu durch Ultraschallwellen in Resonanz versetzt, wodurch sie sich im Inneren der Kapsel schnell auf- und ab-bewegt. Dadurch entstehen Kräfte, die das Gebilde vorwärtstreiben. Durch dieses Antriebssystem erreichen die Mini-U-Boote hohe Geschwindigkeiten: Über 17 Mal überwinden sie die eigene Länge in der Sekunde. Zur Steuerung dienen dabei externe Magnetfelder, auf die das Nickelelement in der Kapsel reagiert. „Diese Mikroschwimmer bieten neue Möglichkeiten, einzelne Partikel präzise und dreidimensional zu manipulieren, ohne dass eine spezielle Probenvorbereitung oder weitere Modifizierungen erforderlich sind“, sagt Co-Autor Joseph Wang von der University of California in San Diego.

Um die Fähigkeiten der Winzlinge zu demonstrieren, haben sie die Forscher verwendet, um einzelne Silikatkügelchen und Körperzellen in wässrigen Medien zu bewegen. Bei den Tests schoben sie Partikel herum, um sie innerhalb von ein paar Minuten zu Buchstaben anzuordnen. Die Mikroschwimmer sind auch in der Lage, dreidimensionale Hindernisse zu meistern, betonen die Wissenschaftler: Sie lassen sich Treppen in Mikrogröße hinaufsteuern. Dies zeigt, dass sie auch in komplexen Umgebungen einsetzbar sind.

Das Team sieht in dem Konzept nun Potenzial für weitere Entwicklungen im Bereich der Nanotechnik. „Ein wichtiger Aspekt ist dabei, dass Ultraschall und Magnetismus biokompatibel sind, was dieses Mikromotorsystem für den Einsatz in biologischen Anwendungen interessant macht“, sagt Co-Autor Fernando Soto von der University of California in San Diego. In diesem Zusammenhang wollen er und seine Kollegen nun daran arbeiten, auch das Material der Mikromotoren biokompatibel zu gestalten: Biologisch abbaubare Polymere könnten verwendet werden und das Nickel ließe sich durch weniger toxisches Magnetmaterial ersetzen, sagen die Wissenschaftler.

Quelle: University of California – San Diego, Video: Liqiang Ren and Fernando Soto, Fachartikel: Science Advances, 5:eaax3084

Anzeige

bild der wissenschaft | Aktuelles Heft

Anzeige

Aktueller Buchtipp

Sonderpublikation in Zusammenarbeit  mit der Baden-Württemberg Stiftung
Jetzt ist morgen
Wie Forscher aus dem Südwesten die digitale Zukunft gestalten

Wissenschaftslexikon

Dol|de  〈f. 19; Bot.〉 büscheliger Blütenstand (Blüten~) [<ahd. toldo ... mehr

Yuc|ca  〈f. 10; Bot.〉 = Palmlilie [span. <indian.]

♦ Te|le|sko|pie  〈f. 19; unz.〉 1 Erforschung mithilfe des Teleskops 2 〈TV〉 Technik zur Ermittlung von Einschaltquoten bei Fernsehsendungen ... mehr

» im Lexikon stöbern
Anzeige
Anzeige