Zarte Pinzetten oder dünne Nadeln kommen traditionell zum Einsatz, wenn Forscher und Mediziner etwas im Mikromaßstab manipulieren wollen. Doch neben diesen Techniken ist in den vergangenen Jahren ein weiteres, kontaktfreies Verfahren entstanden: Laser können optische Pinzetten bilden und dadurch präzise Eingriffe auf mikroskopischer Ebene ermöglichen. Diese Technologie wurde 2018 mit dem Nobelpreis für Physik geehrt. Doch sie hat Nachteile: Laser können nur recht wenig Kraft erzeugen – sie reicht für bestimmte mechanische Manipulationen nicht aus. Außerdem kann Laserlicht organische Materialien schädigen.
Im Bann von Schall und Magnetkraft
Als Alternative wurden in den letzten Jahren Konzepte entwickelt, die auf der Bewegung von winzigen Objekten durch Ultraschall oder Magnetkraft basieren. Bisher lassen die Kraftentwicklung und Steuerbarkeit von Mikroschwimmern auf der Basis dieser Techniken aber zu wünschen übrig, berichtet das Team aus US-amerikanischen und chinesischen Wissenschaftlern in der Fachzeitschrift „Science Advances“. Ihnen zufolge bietet ihr neues Hybrid-System nun mehr Möglichkeiten zur Manipulation von Objekten auf der Mikroebene.
Bei den Mikroschwimmern der Wissenschaftler handelt es sich um Gebilde, die an hohle, nach unten offene Patronenhülsen erinnern. Sie bestehen aus einer durch 3D-Druckverfahren hergestellten Polymerstruktur, die mit Gold beschichtet ist. Zusätzlich verfügen die Kapseln im vorderen Bereich über eine Schicht aus Nickel, wodurch sie sich durch Magnetfelder ausrichten lassen. Die innere Oberfläche der Hülse ist chemisch behandelt, damit sie Wasser abweist. Dies führt dazu, dass sich in dem Gebilde beim Eintauchen in Wasser eine winzige Luftblase bildet.
Schnell und präzise steuerbar
Dieser Effekt wird zum Schlüsselelement des Systems, berichten die Wissenschaftler: Die Blase fungiert als Motor des winzigen Gefährts. Sie wird dazu durch Ultraschallwellen in Resonanz versetzt, wodurch sie sich im Inneren der Kapsel schnell auf- und ab-bewegt. Dadurch entstehen Kräfte, die das Gebilde vorwärtstreiben. Durch dieses Antriebssystem erreichen die Mini-U-Boote hohe Geschwindigkeiten: Über 17 Mal überwinden sie die eigene Länge in der Sekunde. Zur Steuerung dienen dabei externe Magnetfelder, auf die das Nickelelement in der Kapsel reagiert. “Diese Mikroschwimmer bieten neue Möglichkeiten, einzelne Partikel präzise und dreidimensional zu manipulieren, ohne dass eine spezielle Probenvorbereitung oder weitere Modifizierungen erforderlich sind”, sagt Co-Autor Joseph Wang von der University of California in San Diego.
Um die Fähigkeiten der Winzlinge zu demonstrieren, haben sie die Forscher verwendet, um einzelne Silikatkügelchen und Körperzellen in wässrigen Medien zu bewegen. Bei den Tests schoben sie Partikel herum, um sie innerhalb von ein paar Minuten zu Buchstaben anzuordnen. Die Mikroschwimmer sind auch in der Lage, dreidimensionale Hindernisse zu meistern, betonen die Wissenschaftler: Sie lassen sich Treppen in Mikrogröße hinaufsteuern. Dies zeigt, dass sie auch in komplexen Umgebungen einsetzbar sind.
