Schlauer im Schwarm

Wissenschaftler der Universitäten in Leipzig und Princeton haben in Experimenten heraus­gefunden, wie durch Informations­austausch zwischen einzelnen Objekten neue Strukturen mit besonderen Eigenschaften entstehen können. Sie schafften es, mit gezielten Informationen Objekte – in diesem Fall künstliche Mikro­schwimmer – aneinander­zubinden. Diese kleinsten mit Gold­nano­partikeln dekorierten Polymer­kugeln können sich ziel­gerichtet in Flüssig­keiten bewegen. Die Physiker und Chemiker fanden bei ihrem Experiment heraus, dass diese Mikro­schwimmer, die wie lebende Systeme Energie in eine aktive Bewegung umwandeln, sich durch diese Bewegung aneinander binden lassen.

Neben den fundamentalen Kräften existieren auch Mechanismen, die Strukturen bilden, ohne dass zwischen den Objekten eine direkte Kraft wirken muss. Derartige Selbst­organisations­prozesse existieren zum Beispiel in einem Schwarm von Bienen oder Vögeln. Lebendige Organismen nehmen Informationen aus ihrer Umwelt auf, verarbeiten und reagieren auf diese. Bereits Zellen oder Bakterien registrieren Informationen aus ihrer Umgebung über Rezeptoren und steuern so unter anderem ihre Bewegung.

Künstliche Systeme wie die von den Forschern unter­suchten Mikro­schwimmer können diese Information aller­dings nicht verarbeiten und auf sie reagieren, erklärt Utsab Khadka, Postdoc in der Arbeitsgruppe von Haw Yang an der Universität in Princeton in den USA. Um diese Mikro­schwimmer etwas schlauer zu machen, verwenden die Forscher einen Laser, der anhand der Information über die Entfernung anderer Schwimmer entscheidet, in welche Richtung die Schwimmer sich bewegen sollen. „Sobald man Informationen aus seiner Umgebung wahr­nimmt, verarbeitet und auf diese reagiert, hat man die Möglichkeit, über die Wirkung physikalischer Kräfte hinaus zu gehen”, erläutert Frank Cichos von der Universität Leipzig. „Es lassen sich Strukturen erzeugen, die nicht mehr einfach nur vom komplexen Zusammen­spiel der Wechsel­wirkung zwischen Ladungen entstehen“, fügt er hinzu.

Es gibt dazu ein berühmtes von James Clerk Maxwell ersonnenes Gedanken­experiment – den Maxwellschen Dämon: Ein kleiner Dämon ist in der Lage, eine Tür zwischen zwei Räumen zu öffnen und zu schließen, ohne Arbeit zu verrichten. Er beobachtet die Gas­moleküle in den zwei Räumen, und aufgrund seiner Beobachtung lässt er die schnellen Gas­moleküle durch die Tür in einen der beiden Räume und lässt die langsamen im anderen Raum. Dadurch entsteht ein Temperatur­unterschied zwischen beiden Räumen, ohne dass der Dämon Arbeit zu verrichten hat. Der Prozess verstößt damit gegen die Gesetze der Physik, und man könnte mit dem Temperatur­unterschied wieder eine Maschine betreiben, die Arbeit verrichtet. „Eine Lösung des Problems erhält man nur, wenn man die Information, die der Dämon über die Gas­moleküle sammelt, in seine physikalische Beschreibung mit einbezieht“, sagt Viktor Holubec, der mit einem Humboldt-Stipendium an der Universität Leipzig forscht.

Die Forscher aus Leipzig und Princeton nutzten in ihren Experimenten die Information über den Ab­stand der Mikro­schwimmer zueinander. Die Polymer­kugeln reagierten auf diesen Abstand und organisierten sich allein dadurch zu einer Art Mikro­schwimmer-Molekül. Diese Strukturen existieren nur, solange die Schwimmer sich aktiv bewegen. Sie weisen eine Dynamik auf, wie man sie von echten Molekülen kennt. Aus ihren Modell­untersuchungen erhoffen sich Khadka, Holubec, Yang und Cichos neue Erkenntnisse über die Rolle von Informationen für das kollektive Verhalten von lebendigen Organismen. Die von den Forschern entwickelten Kontroll­strategien lassen sich außerdem mit Algorithmen des Maschinen­lernens verknüpfen, um intelligente Schwärme künstlicher Mikro­schwimmer künftig nutz­bringend einzusetzen, etwa zur Therapie von Krank­heiten oder bei der Reinigung von Gewässern.

U. Leipzig / DE