Präzise Steuerung von Kolloiden durch Magnetismus möglich

Bayreuther Forscher*innen haben Wege gefunden, winzige Teilchen in Flüssigkeiten mittles magnetischen Mustern zu steuern. Die Forschungsergebnisse wurden jetzt in der renommierten Zeitschrift „Nature Communications“ unter dem Titel „Gleichzeitige und unabhängige topologische Kontrolle von identischen Mikropartikeln in nicht-periodischen Energielandschaften“ veröffentlicht. Insgesamt kann der gleichzeitige und unabhängige Transport von kolloidalen Partikeln über magnetischen Mustern dazu beitragen, maßgeschneiderte Materialien herzustellen, biomedizinische Anwendungen zu verbessern, Labortests durchzuführen oder grundlegende wissenschaftliche Fragen zu untersuchen.

In dieser theoretischen und experimentellen Arbeit untersuchten Nico C.X. Stuhlmüller und Prof. Dr. Daniel de las Heras (Theorie) zusammen mit Farzaneh Farrokhzad und Prof. Dr. Thomas Fischer (Experimente) den gleichzeitigen und unabhängigen Transport von identischen kolloidalen Teilchen (Nano- bis Mikrometer große Teilchen, die in einer Flüssigkeit suspendiert sind) über magnetische Muster.

Externe Felder, wie elektrische und magnetische Felder, werden häufig verwendet, um eine Ansammlung von kolloidalen Teilchen zu transportieren. Identische Teilchen werden dann unter dem Einfluss des Feldes in dieselbe Richtung transportiert. Die Wissenschaftler*innen zeigen hier, dass es mit Hilfe nicht periodischer Energielandschaften möglich ist, den Transport der einzelnen Teilchen in einer Ansammlung identischer kolloidaler Teilchen gleichzeitig und unabhängig voneinander präzise zu steuern.

Magnetische Mikropartikel werden über einem magnetischen Muster angeordnet. Das Muster besteht aus nach oben und unten magnetisierten Bereichen, die je nach Position über dem Muster unterschiedlich angeordnet sind. Der Transport wird dann durch Modulationsschleifen der Ausrichtung eines externen Magnetfelds angetrieben. Aufgrund der Kopplung zwischen dem externen Magnetfeld und dem durch das Muster erzeugten Magnetfelds entsteht eine komplexe zeitabhängige und nichtperiodische Energielandschaft. Beliebig komplexe und maßgeschneiderte Trajektorien mehrerer identischer kolloidaler Teilchen können gleichzeitig entweder im Muster oder in den Modulationsschleifen kodiert werden. Zur Veranschaulichung zeigen die Wissenschaftler*innen, wie identische kolloidale Teilchen unter dem Einfluss der gleichen Modulationsschleife die ersten achtzehn Buchstaben des Alphabets schreiben können.

Diese Arbeit ist nicht nur von grundlegendem Interesse, sondern eröffnet auch neue Wege zur rekonfigurierbaren Selbstorganisation in der Kolloidwissenschaft und hat potenzielle Anwendungen in multifunktionalen Lab-on-a-Chip-Geräten. Die präzise und gezielte Steuerung von kolloidalen Partikeln mit Hilfe von Magnetfeldern kann beispielsweise zur Entwicklung von mikrofluidischen Systemen genutzt werden, in denen Partikel für Labortests und medizinische Diagnosen transportieren.

Die Ergebnisse sind entstanden in Zusammenarbeit von Universität Bayreuth, Universität Kassel und Polnischer Akademie der Wissenschaften.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Daniel de las Heras
Theoretische Physik
Tel.: +49 (0) 921 55 33 46
Mail: daniel.de-las-heras@uni-bayreuth.de

Originalpublikation:

Stuhlmüller, N.C.X., Farrokhzad, F., Kuświk, P. et al. Simultaneous and independent topological control of identical microparticles in non-periodic energy landscapes. Nat. Commun. 14, 7517 (2023).
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-023-43390-0

https://www.uni-bayreuth.de/pressemitteilung/steuerung-von-kolloiden