Mikroschwimmer verwendet Licht als Sprit
System arbeitet wie Solar-Batterie - Drei Millimeter große Innovation kommt so im Dunkeln voran
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Grafische Aufbereitung eines Mikroschwimmers (Grafik: e-conversion, Vera Hiendl) |
Stuttgart (pte032/05.10.2020/13:30) Stuttgarter Max-Planck-Forscher haben drei neue drei Millimeter große, biokompatible Mikroschwimmer auf Basis eines fotokatalytischen 2D-Kohlenstoffnitrids (K-PHI) entwickelt, die sich mit Licht vorwärtsbewegen. Wie eine winzige Solarzelle mit integrierter Batterie werden Teilchen der Lichtenergie gespeichert und sichern somit ein Vorankommen auch dann, wenn es dunkel ist. 30 Sekunden Beleuchtung reichen, und der organische Schwimmer hat etwa eine halbe Stunde lang Power, so die Forscher.
Gold, Platin, Siliziumdioxid
"Während das Kohlenstoffnitrid Licht absorbiert, erzeugt es energiereiche Elektronen, die durch Redoxreaktionen mit ihrer Umgebung entladen werden können. Wir fanden heraus, dass die Elektronen den Sauerstoff reduzieren und der Antriebsmechanismus komplexer ist", sagt Filip Podjaski, einer der Hauptautoren der Publikation und Forscher in der Abteilung für Nanochemie am Max-Planck-Institut für Festkörperforschung http://fkf.mpg.de .
Bei den Mikroschwimmern wurde eine dünne Schicht verschiedener Metalle auf einer Seite des PHI aufgedampft. Ein Typ war mit Gold, einer mit Platin und ein dritter mit Siliziumdioxid bedeckt. In mehreren Tests zeigten die Experten, wie sie die Schwimmer sowohl unter sichtbarem als auch unter UV-Licht vorwärts bewegen konnten - unabhängig davon, ob sie in reinem Wasser, unter Zugabe von Alkoholen oder Wasserstoffperoxid (H2O2) schwammen. Der platinbeschichtete Mikroschwimmer schwamm am schnellsten in Wasser und mit Alkohol als zusätzlichem Treibstoff, während die goldbeschichteten, gefolgt von siliziumdioxidbeschichteten, den schnellsten Vortrieb mit H2O2 als Treibstoff zeigten.
Breite Anwendungspalette
"Die platinbeschichteten PHI-Mikroschwimmer waren aufgrund ihrer Fähigkeit, Energie unter Beleuchtung im PHI zu speichern und in Abwesenheit von Licht wieder abzugeben, am erfolgreichsten: Diese Gruppe konnte minutenlang weiterschwimmen, obwohl sie nur wenige Sekunden beleuchtet wurden", so Varun Sridhar, einer der Hauptautoren und Forscher der Abteilung für Physische Intelligenz am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme http://is.mpg.de.
Die Stuttgarter Max-Planck-Wissenschaftler haben eine breite Anwendungspalette für die Schwimmer im Auge - insbesondere für medizinische Anwendungen und im Bereich der Umweltsanierung. Der Solarbatterie-Effekt eröffne zudem viele neue Möglichkeiten in Situationen, in denen Mikromaschinen ohne kontinuierliche Energiezufuhr auskommen müssen und wo biologisch unbedenkliche Materialien benötigt werden. Nicht zuletzt eröffne der Aufladungseffekt die Möglichkeit, ohne großen Materialaufwand autonome Systeme mit eingebauter Energiespeicherfähigkeit zu erschaffen.
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