Der Synthese eines beweglichen scheinbar lebenden Kristalls einen Schritt näher
Biologische Systeme legen kollektive Verhaltensweisen an den Tag, die in der Natur für unglaubliche Leistungen und faszinierende Muster verantwortlich sind. Bei Fischschwärmen, Bakterienkolonien oder Vogelschwärmen kann man eine sofortige Anpassung des Verhaltens – einen „Konsens – zwischen den einzelnen Individuen beobachten, sodass sie sich trotz ihres scheinbaren einzelnen zufälligen Verhaltens eigenständig in kollektiven Mustern organisieren. Beispiele für Selbstorganisation findet man in der Natur überall, und die beste Möglichkeit, etwas – wie zum Beispiel das Leben – zu verstehen, ist, es selbst nachzubauen. Das kollektive Verhalten von Schwärmen lässt sich in „aktiven“ Partikeln leichter untersuchen als in lebender Materie. Aktuelle experimentelle Arbeit hat gezeigt, wie Licht lebensähnliche, schwimmende Mikromaschinen – synthetische Partikel – dazu anregt, sich in Gruppen zu versammeln, ganz so, wie sich Vogelschwärme versammeln, um gemeinsam zu fliegen. Obwohl Fortschritte in diesem Bereich zu verzeichnen sind, konzentrierten sich die Studien bislang auf Kolloide, d. h. Partikelsuspensionen, im flüssigen Medium. „Es ist nur wenig darüber bekannt, wie sich aktive Partikel in dichteren kolloidalen Phasen wie Kristallen und glasigartigen Strukturen verhalten. Aktive Partikel, die in feststoffähnliche Strukturen eingebettet sind, könnten als vielversprechende Bausteine für das Design neuartiger dynamischer mobiler Materialien dienen“, erklärt Ivo Buttinoni, der Koordinator des EU-finanzierten Projekts MicACol.
Januskügelchen beim Schwimmen in Kristallen zusehen
Das Projekt demonstrierte Beispiele von aktiven zweidimensionalen Gittern, wobei es die kritischen Kräfte untersuchte, die aktive Partikel überwinden müssen, damit die Kristallstruktur beweglich wird. Energie in den Eigenantrieb umzusetzen, ist auf der Mikro- und Nanoebene besonders herausfordernd. „Während makroskopische Objekte die Trägheit nutzen, um in einer Flüssigkeit zu schwimmen, verhalten sich Mikro- und Nanopartikel so, als befänden sie sich in einem äußerst dickflüssigen Medium wie Honig oder Maisstärke, in dem die Trägheit keine Rolle spielt. Um schwimmen zu können, müssen kolloidale Partikel die sogenannte Symmetrie der Zeitumkehr überwinden, das heißt, sie müssen asymmetrische Eigenschaften besitzen“, erklärt Buttinoni. Kugelförmige Partikel, deren Oberfläche zwei verschiedene physikalische Eigenschaften aufweist, wie zum Beispiel halb beschichtete Kügelchen, eignen sich hervorragend als Testmaterie, um diese Verletzung der Symmetrie zu untersuchen. Die zwei Halbkugeln dieser Januspartikel interagieren auf unterschiedliche Weise mit dem umgebenden Medium und schaffen lokale thermische und chemische Abstufungen. Die MicACol-Forschungsgruppe nutzte ein weitverbreitetes Schema für den Eigenantrieb, bei dem Partikel teilweise mit Platin beschichtet und dann in eine Lösung aus Wasser und Wasserstoffperoxid eingetaucht werden. Die Kolloide werden so zum Eigenantrieb gezwungen, da das Wasserstoffperoxid an der platinbeschichteten Halbkugel zerlegt (katalysiert) wird. Erstmals konnte das Projekt demonstrieren, dass den kugelförmigen Partikeln an der Grenzfläche der beiden Flüssigkeiten Abstoßungskräfte mit großer Reichweite innewohnen. „Die Partikel mit Eigenantrieb verhielten sich so, als wären sie von einer Wirkkraft angetrieben, die proportional zu ihrer Geschwindigkeit des freien Schwimmens ist. Uns schwebt vor, dass das gleiche Prinzip auch auf komplexere Strukturen wie etwa kolloidale Gläser angewandt werden kann“, fügt Buttinoni hinzu.
Der Weg aus dem Gleichgewicht
Bis dato werden in den meisten Experimenten aktive Partikel wie Eindringlinge zum Gitter hinzugefügt, die dann zufällige Positionen abseits der Gitterpunkte einnehmen. Das Experiment von MicACol verfolgte einen anderen Ansatz, um die Partikelmechaniken im System außerhalb des Gleichgewichts zu untersuchen. „Unser Ziel war es, die kritischen Kräfte zu bestimmen, die notwendig sind, um aktive Partikel aus ihren Gleichgewichtspositionen im Gitter herauszubewegen“, erklärt Buttinoni. „Die Messung der lokalen (Abstoßungs-)Kräfte bietet einen zusätzlichen ‚Drehregler‘, um die Bewegungen der Mikroschwimmer im Kristall zu steuern. Daher wissen wir, welche Sorte aktiver Partikel wir hinzufügen müssen, um die Kristallstruktur in Bewegung zu bringen [zu aktivieren].“ Die Forschungsgruppe ist möglicherweise noch weit davon entfernt, feste künstliche aktive Materie, etwa zur Verwendung in dynamischen/mobilen dreidimensionalen Materialien, synthetisieren zu können. Allerdings konnte die MicACol-Forschungsgruppe bereits erhebliches Neuland beschreiten und die Grenzen des Forschungsbereichs sprengen.
Schlüsselbegriffe
MicACol, aktive Partikel, Kolloide, scheinbar lebende Kristalle, Selbstorganisation, Januskügelchen, Eigenantrieb
