Mikroschwimmer wechseln auf Kommando den Schwimmstil
Laserlicht macht den hydrodynamischen Charakter künstlicher Partikel erstmals programmierbar.
Physiker:innen der Universität Leipzig und der Karls-Universität Prag haben eine Methode entwickelt, um den Schwimmstil von winzigen künstlichen Mikroschwimmern in Echtzeit zu verändern. Sie lassen ein einzelnes mikroskopisch kleines Partikel nach Belieben zwischen den Schwimmweisen wechseln, die von Bakterien und Algen inspiriert sind. Damit verwandeln sie eine Eigenschaft, die bisher bei der Herstellung fest vorgegeben war, zu einem programmierbaren Parameter. Die neuen Erkenntnisse weisen nach Ansicht der Forschenden den Weg zu einem evolutionären Ansatz bei der Entwicklung synthetischer aktiver Materie.
Mikroschwimmer sind Objekte, die in der Regel nur wenige Mikrometer groß sind und sich durch Flüssigkeiten bewegen. Zu ihnen zählen sowohl lebende Mikroorganismen wie Bakterien und Algen als auch synthetisch hergestellte Partikel. Letztere dienen als physikalische Modelle, um das komplexe Zusammenspiel biologischer Kleinstlebewesen zu verstehen. Bislang war es nicht möglich, den Schwimmstil der künstlichen Mikroschwimmer zu verändern. Die Forschenden unter der Leitung von Frank Cichos fanden nun jedoch eine Möglichkeit, die künstlichen Teilchen mit Hilfe von Licht nach Belieben zwischen den Schwimmweisen von Bakterien und Algen zu wechseln. Bakterien wie E. coli treiben sich mit Geißeln am Hinterende voran, die sie schieben. Algen wie Chlamydomonas schlagen mit Geißeln am Vorderende, sie ziehen sich durch die Flüssigkeit. Bakterien schwimmen gewissermaßen mit Heckantrieb, Algen mit Frontantrieb. Beide erzeugen dabei ein völlig unterschiedliches Strömungsfeld.
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„Unsere Arbeit hilft uns zu verstehen, was ein ‚optimaler‘ Schwimmer in der Realität eigentlich bedeutet. Wir zeigen, dass die physikalischen Einschränkungen des Schwimmmechanismus einen Schwimmer daran hindern können, das theoretische Optimum zu erreichen“, erklärt Doktorandin Lisa Rohde, die Erstautorin der Studie. Dieselben Einschränkungen bestehen ihr zufolge auch in der Natur. Das erkläre möglicherweise, warum die Evolution bei Bakterien Schwimmstrategien hervorgebracht hat, die zwar nicht „lehrbuchmäßig optimal“, aber dennoch äußerst erfolgreich und weit verbreitet sind.
Die von den Forschenden in Experimenten genutzten Mikroschwimmer sind mikrometergroße transparente Kugeln, die mit winzigen Goldpartikeln besetzt sind. Beleuchtet von einem Laser, wirken die Goldpartikel wie winzige, individuell ansteuerbare Wärmequellen. Der Laser kann die Oberfläche des Partikels erwärmen, aber niemals abkühlen – eine Einschränkung, die sich als entscheidend herausstellte. Indem sie maßgeschneiderte Intensitätsmuster auf die Partikeloberfläche projizieren und diese in Echtzeit an die Bewegung des Partikels anpassen, beeinflussen die Forschenden die Temperatur auf der Kugel. Dieses Temperaturmuster treibt das Partikel voran und bestimmt gleichzeitig das Strömungsfeld in dessen Umgebung. Eine Änderung des Lichtmusters verändert die Strömung. Dasselbe Partikel kann in einem Moment als Pusher (englisch für schieben) und im nächsten als Puller (englisch für ziehen) wirken.
„Das intuitiv Unerwartete daran ist, dass bei gleicher Laserleistung ausgerechnet die langsamste Schwimmweise die effizienteste ist, wenn man eine bestimmte Geschwindigkeit erreichen will. Die Tatsache, dass wir nur erwärmen, niemals abkühlen können, verändert die Optimierungslandschaft grundlegend“, sagt Rohde. Professor Cichos, Leiter der Arbeitsgruppe Molekulare Nanophotonik, ergänzt: „Bislang war der hydrodynamische Charakter eines Mikroschwimmers im Moment der Herstellung festgelegt, ähnlich wie der Körperbau eines Tieres. Wir können ihn nun mit Licht in Echtzeit verändern.“
Experimente zum kollektiven Verhalten aktiver Materie, von bakterieller Turbulenz bis zum Schwarmverhalten, waren mit herkömmlichen, fest programmierten Schwimmern bislang kaum möglich. Das ändert sich nun. „In Zukunft wollen wir diese programmierbare Steuerung mit maschinellem Lernen kombinieren, damit Mikroschwimmer lernen können, welchen Schwimmstil sie für eine bestimmte Aufgabe einsetzen müssen. Wir können letztendlich adaptive Mikroschwimmer entwickeln und verstehen, wie sich das Schwimmen in viskoelastischem Schleim von dem in Wasser unterscheidet“, betont Rohde. [U Leipzig / dre]
Weitere Informationen
- Originalveröffentlichung
L. Rohde, G. Anchutkin, V. Holubec & F. Cichos, Programmable hydrodynamics of active particles, Nat. Commun. 17, 9406, 2. September 2026; DOI: 10.1038/s41467-026-77281-x - Molecular Nanophotonics Group (Frank Cichos), Peter-Debye-Institut für Physik der weichen Materie, Fakultät für Physik und Erdsystemwissenschaften, Universität Leipzig
