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Projekt
Chemische Nanomotoren
Antragsteller
Professor Dr. Michael Börsch; Professor Dr. Peer Fischer
Fachliche Zuordnung
Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie
Mikrosysteme
Mikrosysteme
Förderung
Förderung von 2014 bis 2021
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 253407113
Das Ziel des Projekts ist die Entwicklung einer neuen Klasse von Mikroschwimmern. Schwimmen ist auf kleinen Skalen besonders schwierig, weil bei kleinen Reynolds-Zahlen der Reibungswiderstand dominant ist. Eine symmetrische Bewegung kann nicht als Antrieb verwendet werden. Mikroorganismen haben deshalb spezielle Schwimmstrategien entwickelt und verwenden entweder einen zeitlich asymmetrischen Geißelschlag oder rotieren ein asymmetrisches Flagellum. Wir wollen den ersten enzymgetriebenen Mikroschwimmer bauen, der sich autonom ohne ein externes Feld bakterienanalog bewegt. Eine von uns entwickelte Fabrikationsmethode ermöglicht es in großer Anzahl Nanokolloide (100 Milliarden pro Stunde) mit komplexen 3D Strukturen zu bauen. So können Nanohelices aus verschiedenen Materialien hergestellt werden, die an bestimmten Punkten gezielt chemisch angebunden werden können. Die Größe unsere Kolloide reicht von 40nm bis 4 Mikrometer, die Genauigkeit beträgt 20nm. Zusätzlich zur Herstellung solcher Kolloide haben wir auch Zugang zu und Erfahrung mit einem Enzym, der ATPase. Durch die Hydrolyse von ATP rotiert die ATPase, sie soll der Antrieb unseres Schwimmers werden. Das Enzym ist genetisch modifiziert und hat zwei Anbindungsstellen, was die Anbindung von einer Schraube und einem Gegengewicht ermöglicht. Wir werden so den ersten künstlichen Biohybridschwimmer, der in Wasser schwimmen kann, bauen. Aufgrund der Größe unserer Objekte können wir interessante Fragen bei niedrigen Reynolds-Zahlen untersuchen, in Bereichen, in denen die Kontinuumshydrodynamik immer noch gilt, aber die Brownsche Bewegung wichtiger wird. Die Abhängigkeit der Bewegung vom Treibstoff ATP kann zur Kontrolle verwendet werden und ermöglicht Studien zur Effizienz bei Verwendung verschiedener Lasten. Durch unsere Herangehensweise werden wir nicht nur in der Lage sein einen neuartigen Mikroschwimmer zu bauen, sondern auch die Anbindung von vielen Enzymen auf einem Si-Wafer wird ermöglicht. Wir planen die Enyzme auf einem Wafer zu binden und an der anderen Seite des Enzyms können wir dann beliebige Nanostrukturen anbinden. Eine Untersuchung des kollektiven Verhaltens von vielen chemisch-angetriebenen Rotoren ist damit möglich. Die Konstruktion und die Untersuchung selber werden mithilfe von REM und TEM, auch in Flüssigkeiten, durchgeführt. Schließlich ist unsere Herstellungsmethode so allgemein, dass wir viele verschiedene Mikroschwimmer mit unterschiedlichster Funktionalität und Form herstellen können, wie es bisher nicht möglich war. Dies gibt uns die Möglichkeit, neue Arten von Mikroschwimmern zu realisieren, die chemisch, durch Licht, thermisch oder ähnlich angetrieben werden können. Diese multifunktionalen Kolloide können wir herstellen und für andere Gruppen des SPP zugänglich machen. So sollen zum Beispiel steuerbare Mikroschwimmer realisiert werden, die dann von Kollaborationspartnern des SPP untersucht werden.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
