Kunststoffteilchen präzise steuern

Forscher der Uni Bayreuth haben Kunststoffteilchen entdeckt, die es ermög­lichen, Bewegungen ein­zelner Moleküle lücken­los zu beob­achten und präzise zu steuern. Neu­artige Mikro­chips, die nur wenige Zehntel­milli­meter groß sind und eine der­artige Steue­rung gewähr­leisten, sind daher keine Zukunfts­musik mehr. Bei den Kunst­stoff­teil­chen handelt es sich um Kolloide. Im Inneren eines komplexen, magne­tisch struk­tu­rierten Materials ver­ändern sie ihre Position kaum, an den Grenzen des Materials bewegen sie sich jedoch zügig voran.

Die Kolloide verhalten sich somit ähnlich wie die Elektronen topo­lo­gischer Isola­toren. Topo­lo­gische Isola­toren zeichnen sich dadurch aus, dass sie an den Material­grenzen elek­trisch leit­fähig sind, aber in ihrem Inneren keinen elek­trischen Strom hin­durch­lassen. Die britischen Physiker David Thouless, Duncan Haldane und Michael Koster­litz brachten mit theo­re­tischen Berech­nungen die Erfor­schung dieser Fest­körper wesent­lich voran und wurden dafür 2016 mit dem Physik-Nobel­preis aus­ge­zeichnet. Seit­her stieg auch das Interesse an großen Partikeln, die ähn­liche Eigen­schaften wie die Elek­tronen in topo­lo­gischen Isola­toren haben und ihnen analog sind.

Den Forschern der Uni Bayreuth ist es jetzt erstmals gelungen, solche Partikel zu identi­fi­zieren. Es sind Kolloide, die an ihrer jewei­ligen Position ver­harren, wenn sie im Inneren eines komplexen Materials platziert sind. Doch an den Grenzen dieses Materials können sie sich ent­lang­hangeln. Hier bewegen sie sich in schleifen­förmigen Bahnen zügig fort. Bisher sind keine anderen Teil­chen bekannt, die den Elek­tronen topo­lo­gischer Isola­toren in dieser Weise ähn­lich sind.

Das außergewöhnliche Verhalten dieser Kolloide in und auf einem komplexen Material beruht auf dem struk­tu­rierten Magnet­feld, dem sie aus­ge­setzt sind. Infolge dieses Magnet­felds lässt sich die Fort­bewe­gung der Kolloide auf der Ober­fläche des Materials nicht nur un­unter­brochen beob­achten, sondern auch präzise steuern. Genau hier liegt ein viel­ver­spre­chendes Poten­zial für künftige Anwen­dungen in Forschung und Ent­wick­lung. „Auf den Kollo­iden lassen sich – beispiels­weise im Rahmen bio­medi­zi­nischer Unter­suchungen – ein­zelne Mole­küle platzieren, die im Hucke­pack-Ver­fahren exakt von einer Position an eine andere gewünschte Position trans­por­tiert werden“, erklärt Daniel de las Heras von der Uni Bayreuth. „Die Kolloide eignen sich daher für die Her­stel­lung von Mikro­chips, auf denen diese Pro­zesse exakt gesteuert und beob­achtet werden können. Diese Chips wären dann Miniatur-Labora­torien für ver­schie­denste Experi­mente, die auf eine der­artige präzise Steuerung ange­wiesen sind.“

U. Bayreuth / RK