Durch chemische Reaktionen angetriebene aufrahmende, tauchende und schwimmende Mikrokapseln.

• Antragsteller: Professor Dr. Heinz Rehage
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Polymermaterialien ; Strömungsmechanik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 254463561

Das neue Forschungsprojekt beschäftigt sich mit den selbstständigen Schwimmbewegungen von viskoelastischen Mikrokapseln, die als einfache Modellsysteme für biologische Zellen verwendet werden. Diese anisometrischen Partikel werden in einer speziellen Mikrofluidik-Apparatur hergestellt. Aufgrund des Einwirkens von Strömungskräften, die während der Synthese auftreten, erhalten die Kapseln eine tropfenförmige Gestalt mit einem halbkugelförmigen Kopf und einem kleinen, schmalen Schwanz. Die Fortbewegung dieser Partikel wird durch chemische Reaktionen stimuliert, die im inneren, hohlen Kern der Kapseln ablaufen. Ein sehr einfacher Fortbewegungsmechanismus ergibt sich durch die Einlagerung von Kaliumpermanganatkristallen in den Hohlraum der Kapseln. Wenn die wässrige Außenphase Wasserstoffperoxid enthält, diffundieren diese Moleküle durch die halbdurchlässigen Membranen in den Kern der kolloidalen Partikel, und sie können dort mit den gelösten Permanganationen reagieren. Die Sauerstoff-Luftblasen, die durch diese Redoxreaktion gebildet werden, führen zu einer schnellen Translation der Kapseln. Eine große Anzahl von zusätzlichen organischen und anorganischen chemischen Reaktionen soll verwendet werden, um definierte Aufrahm-, Tauch- oder Schwimmbewegungen zu aktivieren.Oszillierende chemische Reaktionen führen zu periodischen Schwellungen und Schrumpfungen der gelartigen Kapselmembranen. Aus Gründen der ausgeprägten Gestalt-Asymmetrie können diese Phänomene auch zu neuen Arten von pulsierenden Schwimmbewegungen führen. Da die Kapseln von dünnen, viskoelastischen Polymermembranen umgeben sind, reagieren sie empfindlich auf die Einwirkung von mechanischen Kräften. Dieser spezielle Rückkoppelungsmechanismus, der die Größe und Gestalt der Mikrokapseln in der Strömung ändert, ist für das Verständnis von grundlegenden Prinzipien biologischer Mikroschwimmer von großem Interesse. Die kontinuierliche Synthese der Partikel in der Mikrofluidik-Apparatur erlaubt die Herstellung größerer Kapselmengen. Es ist daher auch möglich, die Schwimmbewegungen von Kapselschwärmen detailliert zu untersuchen. Derartige Experimente sind für die zweite Periode des DFG-Schwerpunktprogrammes geplant. Die aktiven Kapselbewegungen basieren auf einer Kombination verschiedener Phänomene, zu denen Größen- und Gestalt-Änderungen, Quellungserscheinungen, osmotische Drücke, Diffusion von chemischen Komponenten durch die Kapselmembranen, Adsorptionsprozesse, die Freisetzung gespeicherter Komponenten und hydrodynamische Wechselwirkungen gehören. Die rheologischen Eigenschaften der Kapselmembranen können gezielt variiert werden, um die Schwimmbewegungen zu kontrollieren. Die beschriebenen Fortbewegungsmechanismen weicher Materie beruhen auf unterschiedlichen Prinzipen und führen zur Entwicklung von neuen Arten selbstschwimmender Partikel, die für fortgeschrittene Technologien der Kapselbewegung und der kontrollierten Freigabe von Wirk- und Inhaltsstoffen verwendet werden können.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1726: Mikroschwimmer - Von Einzelpartikelbewegung zu kollektivem Verhalten