Freigeistgruppen vid TU Dresden, ledd av kemisten Dr Juliane Simmchen, har studerat ett imponerande beteende hos syntetiska mikrosimmare:så snart de fotokatalytiska partiklarna lämnar en upplyst zon, de vänder sig självständigt och simmar tillbaka in i ljuset. Denna lovande observation och dess analys publicerades nyligen i den vetenskapliga tidskriften Mjuk materia som en "Emerging Investigator"-artikel.

TU Dresden Freigeist-stipendiat Dr. Juliane Simmchen undersöker tillsammans med sin multidisciplinära juniorforskare rörelsen hos syntetiska mikrosimmare i vätskor. Hennes mål är att göra det möjligt för dessa livlösa mikropartiklar att röra sig i en viss riktning av sig själv och därmed, i framtiden, att användas inom sensorteknik eller biologisk rengöring. "Faktiskt, det är lite som att spela datorspel i laboratoriet, " beskriver kemisten sitt extraordinära forskningsarbete i en intervju med Volkswagen Foundation.

Simmchen-gruppen arbetar med de så kallade "Janus-partiklarna". Dessa består av en kropp av titandioxid med två olika belagda sidor:en sida med ett katalytiskt aktivt lager av nickel och guld, den andra sidan förblir obehandlad. Titandioxid används som blekningsmedel, till exempel i väggfärg, men den reagerar också med ljus. Som ett resultat, Janus-partiklar är fotokatalytiska, vilket betyder att så fort ljuset träffar dem, kemiska reaktioner uppstår som sätter igång en rörelse.

Gruppen har nu observerat och analyserat ett extremt ovanligt fenomen i Janus-partiklarnas rörelse:så snart partiklarna lämnar en upplyst zon i mikroskopet, de vänder sig om själva och simmar tillbaka – ett beteende som faktiskt bara är känt från mikroorganismer. Men hur kan ett sådant komplext beteende utlösas hos syntetiska mikrosimmare?

Förstaförfattaren Lukas Niese och Dr Simmchen kunde visa att så länge som partiklarna är aktiva i ljuset, deras simriktning stabiliseras av en kombination av fysikalisk-kemiska effekter. Så snart partiklarna inte längre utsätts för ljus, det sker ingen energiomvandling och rörelseriktningen är inte längre stabil. "I detta fall, " förklarar Lukas Niese, "den naturliga termiska rörelsen (Brownian Motion) sätter in. Detta gör att partiklarna praktiskt taget vänder, och sedan simmar de tillbaka in i det utsatta området."

"Det faktum att så enkla effekter som Brownian Motion kan leda till ett så komplext beteende var ganska häpnadsväckande och imponerande, särskilt när det gäller utvecklingen och utvecklingen av förmågor. Vi skulle kunna använda den här egenskapen för riktad kontroll av mikrorobotar. Tillämpningar är tänkbara där partiklarna filtrerar och tar bort föroreningar från vätskor eller transporterar medicin genom kroppen, och kanske till och med transportinformation, " säger Dr Simmchen, förklarar betydelsen av upptäckten.