Düsenantrieb mit Winzigkeitsrekord

Mikroröhren bewegen sich mit eigenem Antrieb und von Magneten gesteuert durch Flüssigkeiten.

"Der kleinste von Menschenhand gefertigte Düsenantrieb misst 600 Nanometer im Durchmesser und wiegt 1 Picogramm (10^-15 kg). Er wurde von Alex A. Solovev, Samuel Sanchez, Yongfeng Mei und Oliver G. Schmidt am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW Dresden), Deutschland, hergestellt und demonstriert.", so das Zertifikat von "Guinness World Records ltd.", das jetzt den von den Dresdner Wissenschaftlern aufgestellten Weltrekord bestätigt.

Der "Düsenantrieb" bezieht sich auf Mikroröhren, die sich in einer Flüssigkeit selbstangetrieben fortbewegen können. Für diese so genannten Mikrobots werden üblicherweise Titan-, Eisen- und Platinschichten zu Röhren von ca. 5 Mikrometern Durchmesser und ca. 50 Mikrometern Länge aufgerollt. Die innerste Schicht dieser Röhren besteht aus Platin und dient als Katalysator der Reaktion von Wasserstoffperoxid zu Wasser und Sauerstoff. Dabei bilden sich Sauerstoffblasen, die aus dem Röhrchen herausgestoßen werden und dieses dadurch zu einer und gerichteten Bewegung antreiben.

Durch ein äußeres Magnetfeld lassen sich Bewegung, Beschleunigung und Richtungsänderungen der Mikrobots steuern. Die Forscher konnten sie so durch Kanäle eines mikrofluidischen Systems lotsen. Zudem war es möglich, die Mikroröhren zu be- und entladen. In ersten Experimenten konnten bis zu 60 Styroporkügelchen und einige metallische Nanoplättchen durch die Flüssigkeit transportiert werden.

Abb.: Ein Mikrobot schwimmt in die Mikrokanäle eines Chips aus Polydimethylsiloxan (PDMS). Der blaue Pfeil zeigt die Richtung des Magnetfelds an. (Bild: S. Sanchez et al., J. Am. Chem. Soc.)

Um die Geschwindigkeit der Mikrobots zu erhöhen, verfolgen die Forscher den Ansatz, das Enzym Katalase als Katalysator in Titan-Gold-Röhrchen zu verwenden. Das Enzym, das in Zellen von Lebewesen verbreitet ist, zersetzt Wasserstoffperoxid sehr effektiv in Sauerstoff und Wasser. Dadurch wird die Antriebskraft gesteigert, so dass zehnmal höhere Geschwindigkeiten erreicht werden und die Mikrobots besser gegen Strömungen anschwimmen können.

Mit der Winzigkeit der Mikrobots lassen sich neue Funktionalitäten verbinden. Die Vision der Forscher ist es, Nanomaschinen zu konstruieren und herzustellen, die zum Beispiel in der Lage sind, kleinste Mengen von Medikamenten zu transportieren und gezielt an einem geeigneten Ort abzuliefern.

IFW Dresden / MH