08.12.2023

Präzise Steuerung von Kolloiden durch Magnetismus

Gleichzeitige und unabhängige topologische Kontrolle von identischen Mikropartikeln.

Forscher der Uni Bayreuth haben in Zusammenarbeit mit Kollegen der Uni Kassel und Polnischer Akademie der Wissenschaften Wege gefunden, winzige Teilchen in Flüssigkeiten mithilfe magnetischer Muster zu steuern. Der von dem Team demonstrierte gleichzeitige und unabhängige Transport von kolloidalen Partikeln über magnetischen Mustern kann dazu beitragen, maßgeschneiderte Materialien herzustellen, biomedizinische Anwendungen zu verbessern, Labortests durchzuführen oder grundlegende wissenschaftliche Fragen zu untersuchen.

Abb.: Illustration der über Magnetströmen geführten Kolloide.
Abb.: Illustration der über Magnetströmen geführten Kolloide.
Quelle: U. Bayreuth

Externe Felder, insbesondere elektrische und magnetische, werden häufig verwendet, um eine Ansammlung von kolloidalen Teilchen zu transportieren. Identische Teilchen werden dann unter dem Einfluss des Feldes in dieselbe Richtung transportiert. Die Wissenschaftler zeigen jetzt, dass es mit Hilfe nichtperiodischer Energielandschaften möglich ist, den Transport der einzelnen Teilchen in einer Ansammlung identischer kolloidaler Teilchen gleichzeitig und unabhängig voneinander präzise zu steuern.

Magnetische Mikropartikel werden über einem magnetischen Muster angeordnet. Das Muster besteht aus nach oben und unten magnetisierten Bereichen, die je nach Position über dem Muster unterschiedlich angeordnet sind. Der Transport wird dann durch Modulationsschleifen der Ausrichtung eines externen Magnetfelds angetrieben. Aufgrund der Kopplung zwischen dem externen Magnetfeld und dem durch das Muster erzeugten Magnetfeld entsteht eine komplexe zeitabhängige und nichtperiodische Energielandschaft.

Beliebig komplexe und maßgeschneiderte Trajektorien mehrerer identischer kolloidaler Teilchen können gleichzeitig entweder im Muster oder in den Modulationsschleifen kodiert werden. Zur Veranschaulichung zeigen die Wissenschaftler, wie identische kolloidale Teilchen unter dem Einfluss der gleichen Modulationsschleife die ersten achtzehn Buchstaben des Alphabets schreiben können.

Die Studie ist nicht nur von grundlegendem Interesse, sondern eröffnet auch neue Wege zur rekonfigurierbaren Selbstorganisation in der Kolloidwissenschaft und hat potenzielle Anwendungen in multifunktionalen Lab-on-a-Chip-Geräten. Die präzise und gezielte Steuerung von kolloidalen Partikeln mit Hilfe von Magnetfeldern kann beispielsweise zur Entwicklung von mikrofluidischen Systemen genutzt werden, in denen Partikel für Labortests und medizinische Diagnosen transportieren.

U. Bayreuth / RK


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