15.10.2021

Droploide bilden dynamische Strukturen

Neuartiges Konzept für Mikromotoren aus Kolloidpartikeln.

Ein deutsch-schwedisches Physikerteam um Jens Christian Grauer von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf untersuchte ein spezielles System kolloidaler Teilchen, das sie mit Laserlicht anregten. Darin bilden sich selbst angetriebene Tröpfchen, die die Forschenden „Droploide“ nannten. Im Forschungs­projekt ging es um die Kombination verschiedener Atome und größerer Teilchen und wie sich diese gegenseitig beein­flussen – letztlich ein typisches Beispiel, wie die uns umgebende Materie komponiert ist. Die Forscher erweiterten das Kombinations­prinzip um zusätzliche Rückkopplungs­prozesse und schufen so neuartige dynamische Strukturen. Es handelt sich dabei um positive Rückkopplungs­schleifen. 

Abb.: Die Droploiden enthalten sowohl heiße wie kalte Kolloidteilchen und...
Abb.: Die Droploiden enthalten sowohl heiße wie kalte Kolloidteilchen und können sich dadurch motorisiert längs des roten Pfeils fortbewegen. (Bild: J. Grauer, HHU)

Konkret kombinierten sie zwei verschiedene Typen von Kolloid­partikeln – Teilchen oder Tröpfchen in einem Dispersions­medium – in einem Flüssig­keitsbad. Dieses Bad bestrahlten sie mit Lasern, deren Licht in der Nähe der Teilchen die Flüssigkeit an den kritischen Punkt brachte. Dort sind die Fluk­tuationen besonders stark, wodurch sich tröpfchen­artige Strukturen ausbilden können, die wiederum die Partikel einschließen. Innerhalb der Tröpfchen heizen sich die beiden Kolloid­teilchensorten unter­schiedlich stark auf. Hieraus resultieren letztlich effektive Kräfte, die das funda­mentale Newtonsche Prinzip (actio = reactio) verletzen und so die Tröpfchen vorwärts schieben.

Die Kolloidpartikel bewirken also zum einen die Ausbildung von Tröpfchen, die die Kolloide einsperren und die zum anderen von den Teilchen angetrieben werden. Durch diese Rückkopplungs­schleife entstehen neuartige Super­strukturen mit einem selbst­organisierten kolloidalen Motor; die Forscher tauften sie „Droploids“, eine Schöpfung aus den Wörtern „droplets“ und „colloids“. Das Forschungs­team kombinierte theo­retische und experi­mentelle Ansätze: Während in Düsseldorf und Darmstadt das System modelliert wurde, konnten die Kollegen aus Göteborg die Ergebnisse am realen Experiment veri­fizieren und damit die theoretischen Modelle bestätigen. 

Hartmut Löwen von der Universität Düsseldorf sagt: „Es ist wichtig, dass der Vorgang komplett durch Laserbeleuchtung kontrolliert wird. So kann das System für verschiedene Anwendungs­möglichkeiten flexibel von außen gesteuert werden.“ Benno Liebchen von der TU Darmstadt erläutert weiter, was man mit den Drop­loiden anfangen kann: „Neben der Begründung eines neuartigen Konzepts für Mikro­motoren könnten die Droploide und die beteiligten Wechsel­wirkungen als wichtige Zutaten zur Erzeugung zukünftiger bio­mimetischer Materialien dienen.“

HHU / JOL

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