Wenn wir auch noch so leise schleichen – unsere Bewegungen erzeugen Vibrationen und damit Geräusche. Sogar sehr feine Regungen von Lebewesen lassen sich mit modernen Instrumenten noch erfassen. So haben Forscher beispielsweise schon das Knistern, Knuspern und Knacken erfasst, das Würmchen und Co im Boden verursachen. Es gibt allerdings noch deutlich kleinere Organismen, die sich bewegen und damit zumindest theoretisch für Vibrationen und somit Geräusche sorgen. Die winzigen Regungen von Mikroben lassen sich allerdings wohl nicht mehr erfassen, könnte man meinen. Doch genau dies ist nun den Forschern um Farbod Alijani von der Technischen Universität Delft gelungen.
Die Wissenschaftler untersuchten ursprünglich die Grundlagen der Mechanik von Graphen. “Es handelt sich dabei um eine Form von Kohlenstoff, die aus einer einzigen Schicht von Atomen besteht und auch als ein Wundermaterial bekannt ist. Denn es ist sehr stark, hat gute elektrische und mechanische Eigenschaften und reagiert zudem extrem empfindlich auf äußere Kräfte”, erklärt Alijani. Im Rahmen ihrer Untersuchungen fragten sich Alijani und seine Kollegen irgendwann, was passieren würde, wenn dieses extrem empfindliche Material mit einem einzelnen biologischen Objekt in Kontakt kommt – und zwar mit einem sehr winzigen. So entwickelten die Forscher schließlich ihre Graphen-Bakterien-Trommeln.
Perkussionsmusik der besonderen Art
Die Membranen der “Instrumente” bestehen aus ultradünnen Graphen-Doppelschichten. Sie bedecken kreisförmige, in Siliziumdioxid geätzte Hohlräume mit einem Durchmesser von acht Mikrometern und einer Tiefe von 285 Nanometern. Viele dieser Trommeln werden dabei nebeneinander auf einem Siliziumchip angeordnet, um für umfangreiche Testergebnisse sorgen zu können. Um die Bewegungen von einzelnen Bakterien zu erfassen, wurde jeweils eines auf einer der Graphenmembranen angeheftet. Das ganze System befindet sich dabei in einer Nährlösung. Als Versuchs-Mikrobe diente den Forschern das bekannte Darmbakterium Escherichia coli.
Wie die Wissenschaftler berichten, konnten sie tatsächlich eine Auslenkung der Graphenmembranen durch die bakteriellen Bewegungen erfassen. Detektiert wurden diese Vibrationen dabei mittels Laserinterferometrie. Eine einzelne Escherichia-coli-Zelle erzeugt demnach Schwingungen mit Amplituden von bis zu 60 Nanometern und übt dabei Kräfte von bis zu sechs Nanonewton auf die Umgebung aus. Diese Effekte ließen sich auch als Töne darstellen – und somit konnten die Forscher die Mikroben hörbar machen. “Was wir sahen, war verblüffend! Wenn ein einzelnes Bakterium an der Oberfläche einer Graphen-Trommel haftet, erzeugt es Schwingungen, die wir nachweisen konnten. Wir konnten dadurch auch den Klang eines einzelnen Bakteriums hören!”, sagt Co-Autor Cees Dekker von der TU Delft.
