Magnetokapillare Mikroroboter zum Einfangen und zum Transport von Objekten an Flüssiggrenzflächen

• Antragsteller: Professor Dr. Jens Harting
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 366087427

In den letzten Jahren hat die Forschung auf dem Gebiet der biologischen und künstlichen Mikroschwimmer einen bemerkenswerten Fortschritt zu verzeichnen. Heute wissen wir wesentlich mehr über das Verhalten von biologischen Schwimmern wie beispielsweise Bakterien oder Spermazellen und künstlichen Schwimmern basierend auf sich durch chemische oder thermische Gradienten bewegende Kolloidteilchen.In dem vorliegenden Projekt beschäftigen wir uns mit einem alternativen Schwimmerkonzept, das vor einigen Jahren zuerst von der Gruppe um N. Vandewalle in Liege, Belgien, realisiert wurde. "Magnetokapillare Schwimmer'' bestehen aus paramagnetischen Teilchen, die an einer Flüssiggrenzfläche adsorbiert sind. Durch das Wechselspiel von kapillarer Anziehung basierend auf der auf die Teilchen wirkenden Gravitationskraft und der damit verbundenen Deformation der Grenzfläche, sowie abstoßenden Dipolkräften, die durch ein statisches magnetisches Feld induziert werden, kann eine stabile Teilchenkonfiguration erzeugt werden. Durch Anlegen eines weiteren modulierten Magnetfeldes kann eine gerichtete Bewegung des gesamten Teilchensystems erzeugt werden.Wir werden Simulationen und analytische Rechnungen verwenden, um solche Systeme zu erforschen. Die Simulationen basieren auf einer Mehrkomponenten-Gitter-Boltzmann Methode, erweitert um kolloidale Teilchen und magnetische Wechselwirkungen. Die analytischen Rechnungen werden auf einer erweiterten Version des Najafi-Golestanian Schwimmers basieren, welche um Kapillar-, Grenzflächen- und magnetische Kräfte erweitert wird.Besonders wichtig für ein genaues Verständnis dieser Systeme sind der Einfluss der Teilchenform, ihrer Größe und Anzahl, die genaue Wahl der magnetischen Felder, sowie die Möglichkeit das System auf Nano- und Mikroskalen zu realisieren.Damit werden wir die kontrollierte Schwimmerbewegung studieren und erforschen, inwiefern solche künstlichen Schwimmer geeignet sind um Aufgaben wie das Einsammeln oder den Transport von Objekten an einer Grenzfläche zu übernehmen. Hierdurch eröffnen sich zahlreiche Möglichkeiten, neuartige Methoden zur Reinigung von Oberflächen, sowie zum gezielten Transport von verschiedensten Objekten zu entwickeln.Im letzten Teil des Projekts werden wir Mehrkörpereffekte studieren. In unseren Vorarbeiten haben wir bereits gezeigt, dass ein Schwimmer eine sehr spezifische Resonanzfrequenz besitzt. Bei Anregung mit einem Feld dieser Frequenz ist die mittlere Schwimmgeschwindigkeit maximal. Der genaue Wert dieser Frequenz hängt nicht nur von den gewählten Flüssigkeiten, sondern auch von den Teilcheneigenschaften ab. Durch Veränderung der Teilchengrößen werden wir Schwimmer mit verschiedenen Resonanzfrequenzen erzeugen, die gezielt angesprochen und manipuliert werden können. Auf diese Weise können Schwärme von "Mikrorobotern'' mit komplexen Wechselwirkungen erzeugt werden, deren individuelle Bewegung sehr präzise von außen bestimmt werden kann.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1726: Mikroschwimmer - Von Einzelpartikelbewegung zu kollektivem Verhalten
• Internationaler Bezug: Belgien
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr. Ana-Suncana Smith
• Kooperationspartner: Professor Dr. Nicolas Vandewalle