Als Physiker kürzlich ein winziges Mikropartikel auf ein zylindrisches Hindernis lenkten, erwarteten sie, dass eines von zwei Ergebnissen eintreten würde. Das Teilchen würde entweder mit dem Hindernis kollidieren oder um es herum segeln. Das Teilchen tat jedoch beides nicht.
Das Forschungsteam unter der Leitung der Northwestern University und der École Polytechnique in Frankreich war überrascht und verwirrt, als es beobachtete, wie sich die Partikel um das Hindernis herum krümmen und dann an seiner Rückseite haften bleiben. Das Hindernis, so schien es, hatte das Teilchen effektiv eingefangen.
Nach einer Reihe von Simulationen und Experimenten entschlüsselten die Forscher die Physik hinter diesem seltsamen Phänomen. Drei Faktoren verursachten das unerwartete Einfangverhalten: Elektrostatik, Hydrodynamik und unberechenbare zufällige Bewegung der umgebenden Moleküle. Die Größe des Hindernisses bestimmte auch, wie lange das Partikel gefangen blieb, bevor es entkam.
Die neuen Erkenntnisse könnten genutzt werden, um mikrofluidische Anwendungen und Arzneimittelabgabesysteme voranzutreiben, die beide auf Mikropartikeln angewiesen sind, um sich in komplexen, strukturierten Landschaften zurechtzufinden.
Die Studie mit dem Titel „A simple catch: Fluctuations enable hydrodynamic trapping of microrollers by hinders“ wird am 8. März in der Zeitschrift veröffentlicht Wissenschaftliche Fortschritte.
1) Ein Hindernis (Ring in der Mitte) fängt ein Mikropartikel effektiv ein, wenn es versucht vorbeizukommen. 2) Ein Mikropartikel passiert erfolgreich ein Hindernis (Ring in der Mitte), um dem Einfangen zu entgehen. Bildnachweis: Michelle Driscoll/Northwestern University
„Ich hatte überhaupt nicht erwartet, in diesem System Fallen zu sehen“, sagte Michelle Driscoll von Northwestern, die die Studie mitleitete. „Aber das Einfangen fügt dem System viel Nutzen hinzu, weil wir jetzt eine Möglichkeit haben, Partikel zu sammeln. Aufgaben wie das Einfangen, Mischen und Sortieren sind in solch kleinen Maßstäben sehr schwierig zu erledigen. Sie können Standardprozesse zum Mischen nicht einfach herunterskalieren und Sortieren, weil bei dieser Größenbeschränkung eine andere Art von Physik zum Tragen kommt. Daher ist es wichtig, unterschiedliche Methoden zur Manipulation von Partikeln zu haben.“
Driscoll ist Assistenzprofessor für Physik am Weinberg College of Arts and Sciences in Northwestern. Sie leitete die Studie gemeinsam mit Blaise Delmotte, einem Forscher an der École Polytechnique.
Mikrowalzen haben eine ähnliche Größe wie Bakterien und sind synthetische, mikroskopisch kleine Partikel mit der Fähigkeit, sich in einer flüssigen Umgebung zu bewegen. Driscoll und ihr Team interessieren sich besonders für Mikrorollen wegen ihrer Fähigkeit, sich frei – und schnell – in verschiedene Richtungen zu bewegen, und wegen ihres Potenzials, Fracht in komplexen, beengten Umgebungen, einschließlich innerhalb des menschlichen Körpers, zu transportieren und zu liefern.
Die Mikrowalzen in Driscolls Labor bestehen aus Kunststoff mit einem Eisenoxidkern, der ihnen ein schwaches Magnetfeld verleiht. Indem die Mikrowalzen in eine versiegelte Mikrokammer (100 Millimeter mal 2 Millimeter mal 0,1 Millimeter groß) gelegt werden, können die Forscher die Richtung steuern, in die sie sich bewegen, indem sie ein rotierendes Magnetfeld um die Probe manipulieren. Um die Art und Weise zu ändern, wie sich die Mikrorollen bewegen, programmieren die Forscher einfach die Bewegung des Magnetfelds neu, um die Mikrorollen in verschiedene Richtungen zu ziehen.
Aber mikrofluidische Geräte und der menschliche Körper sind natürlich viel komplexere Landschaften als eine strukturlose Probenkammer. Also fügten Driscoll und ihre Mitarbeiter dem System Hindernisse hinzu, um zu sehen, wie Mikroroller durch die Umgebung navigieren können.
„Für lebensechte Anwendungen werden Sie dieses System nicht nur mit Partikeln haben, die in einem offenen Raum sitzen“, sagte Driscoll. „Das wird eine komplexe Landschaft. Möglicherweise müssen Sie die Partikel durch gewundene Kanäle bewegen. Also wollten wir zuerst die einfachste Version des Problems untersuchen: eine Mikrowalze und ein Hindernis.“
Sowohl in Computersimulationen als auch in der experimentellen Umgebung fügten Driscoll und ihr Team der Probenkammer zylindrische Hindernisse hinzu. Manchmal segelte der Mikroroller problemlos um das Hindernis herum, aber manchmal schwang er um das Hindernis herum und blieb dann dahinter hängen.
„Wir haben beobachtet, wie das Partikel aufhörte, sich an dem Hindernis vorbeizubewegen und irgendwie stecken blieb“, sagte Driscoll. „Wir haben das gleiche Verhalten in den Simulationen und in den Experimenten gesehen.“
Durch die Änderung der Parameter innerhalb der Simulationen und die Analyse der Daten stellten Driscoll und ihr Team fest, dass die Hydrodynamik der Flüssigkeit in der Probenkammer stagnierende Bereiche erzeugte. Mit anderen Worten, die sich drehende Mikrowalze bewirkte, dass das Fluid in die Kammer strömte. Aber die Strömungen erzeugten auch Taschen – einschließlich einer direkt hinter dem Hindernis – wo die Flüssigkeit still und nicht fließend blieb. Als das Teilchen in den stagnierenden Bereich eindrang, hörte es auf, sich zu bewegen und blieb stecken.
Aber um den stagnierenden Bereich zu erreichen, musste das Teilchen eine verblüffende Kehrtwende vollführen. Nachdem er sich an dem Hindernis vorbeibewegt hatte, krümmte sich der Mikroroller darum und blieb an seiner Rückseite hängen. Driscoll fand heraus, dass Zufallsbewegungen (als Brownsche Bewegung bezeichnet) der Moleküle in der Flüssigkeit die Mikrowalze in den stagnierenden Bereich „getreten“ haben.
„Winzige Materialien unterliegen Brownschen Schwankungen“, erklärte Driscoll. „Die Flüssigkeit ist eigentlich kein Kontinuum, sondern besteht aus einzelnen kleinen Molekülen. Diese Moleküle rammen ständig in zufälliger Ausrichtung in das Teilchen. Wenn das Teilchen klein genug ist, können diese Kollisionen es bewegen. Deshalb, wenn Sie sich winzige Teilchen ansehen Unter dem Mikroskop sehen sie aus, als würden sie ein bisschen herumjonglieren.“
Driscolls Team fand auch heraus, dass die Größe des Hindernisses steuert, wie lange das Partikel gefangen bleibt, bevor es entweicht. Beispielsweise ist es für Brownsche Fluktuationen einfacher, das Teilchen in den Einfangbereich zu treten, wenn das Hindernis kleiner ist. Durch Veränderung der Hindernisgröße können Forscher die Einfangzeit um Größenordnungen verlängern.
„Normalerweise sind Brownsche Fluktuationen für Experimente destruktiv, weil sie eine Rauschquelle darstellen“, sagte Driscoll. „Hier können wir die Brownsche Bewegung nutzen, um etwas Nützliches zu tun. Wir können diesen hydrodynamischen Einfangeffekt aktivieren.“
Mehr Informationen:
Ernest van der Wee et al, Ein einfacher Fang: Fluktuationen ermöglichen hydrodynamisches Einfangen von Mikrowalzen durch Hindernisse, Wissenschaftliche Fortschritte (2023). DOI: 10.1126/sciadv.ade0320. www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade0320