Forscher entwickeln Mikroschwimmer, der die Gesetze der Fluidodynamik durchbricht

Forscher der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), der Universität Lüttich und des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien haben einen neuen Mikroschwimmer entwickelt, der die Gesetze der Fluidodynamik durchbricht. Der Schwimmer könnte Anwendungen in Bereichen wie der Gesundheitsversorgung haben, wo er zum Transport von Medikamenten durch das Blut verwendet werden könnte.

Das Modell des Teams besteht aus zwei Kügelchen, die durch eine lineare Feder verbunden sind, und wird durch vollständig symmetrische Oszillationen angetrieben. Laut dem Scallop-Theorem sollte dies in Fluidmikrosystemen nicht möglich sein.

Die Forschungsergebnisse des Teams wurden in Physical Review Letters veröffentlicht.

Scallop und der Schwimmer

Scallop schwimmen durch Wasser, indem sie ihre Schalen zusammenklappen, und während die Scallop ihre Schale für den nächsten Schlag öffnet, treibt ihre große Größe sie durch den Trägheitsmoment. Das Scallop-Theorem gilt jedoch mehr oder weniger je nach Dichte und Viskosität des Fluids.

Laut dem Theorem wird ein Schwimmer, der symmetrische oder reziproke Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen ausführt, ähnlich wie die Scallop ihre Schale öffnet und schließt, wahrscheinlich nur sehr wenig bewegen.

Dr. Maxime Hubert ist ein Postdoktorand in der Gruppe von Prof. Dr. Ana-Suncana Smith am Institut für Theoretische Physik der FAU.

“Schwimmen durch Wasser ist für mikroskopische Organismen so schwierig wie Schwimmen durch Teer für Menschen”, sagt Dr. Hubert. “Das ist der Grund, warum einzellige Organismen vergleichsweise komplexe Fortbewegungsmittel wie vibrierende Haare oder rotierende Flagellen haben.”

Das FAU-Team arbeitete mit Forschern der Universität Lüttich und des Helmholtz-Instituts Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien zusammen, um einen ähnlichen Schwimmer zu entwickeln, der anscheinend nicht durch das Scallop-Theorem begrenzt ist. Das relativ einfache Modell funktioniert mit einer linearen Feder, die zwei unterschiedlich große Kügelchen verbindet. Der Mikroschwimmer ist immer noch in der Lage, sich durch das Fluid zu bewegen, wenn die Feder symmetrisch unter Zeitumkehr expandiert und kontrahiert.

“Wir haben dieses Prinzip ursprünglich mit Computersimulationen getestet”, sagt Maxime Hubert. “Wir bauten dann ein funktionierendes Modell.”

Das Team testete das Modell, indem es zwei Stahlkügelchen, die nur einige hundert Mikrometer im Durchmesser hatten, auf die Oberfläche von Wasser in einer Petrischale legte. Die Kontraktion der Feder wurde durch die Oberflächenspannung des Wassers dargestellt, und ein magnetisches Feld wurde verwendet, um die Expansion in die entgegengesetzte Richtung zu erreichen. Dieses System verursachte, dass die Mikrokügelchen sich periodisch abstoßen.

Praktische Anwendungen

Der Schwimmer erreicht Selbstpropulsion aufgrund der unterschiedlichen Größen der Kügelchen.

Laut Dr. Hubert “reagiert das kleinere Kügelchen viel schneller auf die Federkraft als das größere Kügelchen. Dies verursacht asymmetrische Bewegung und das größere Kügelchen wird zusammen mit dem kleineren Kügelchen gezogen. Wir verwenden also das Prinzip der Trägheit, wobei wir uns hier jedoch mit der Wechselwirkung zwischen den Körpern und nicht mit der Wechselwirkung zwischen den Körpern und dem Wasser beschäftigen.”

Obwohl das System nicht unglaublich schnell ist, bewegt es sich etwa um den tausendsten Teil seiner Körperlänge während jedes Oszillationszyklus. Das jedoch ist der einfachste und wichtigste Faktor des neuen Systems, nämlich die Einfachheit seiner Konstruktion und seines Mechanismus.

Das Team sagt, dass ein solches System verwendet werden könnte, um winzige schwimmende Roboter zu entwickeln, die viele praktische Anwendungen in Bereichen wie der Gesundheitsversorgung haben könnten. Zum Beispiel könnten sie zum Transport von Medikamenten verwendet werden.

“Das Prinzip, das wir entdeckt haben, könnte uns helfen, winzige schwimmende Roboter zu konstruieren”, sagt Dr. Hubert. “Eines Tages könnten sie zum Transport von Medikamenten durch das Blut zu einem bestimmten Ort verwendet werden.”