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Forscher am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme haben ein neues Beispiel von Muster-Entstehung in aktiver Materie beobachtet. Sie schlossen Nanoteilchen in einen Wassertropfen ein, die mit UV-Licht chemisch aktiv wurden. Bei einer hohen Dichte von Teilchen entstand ein Strömungsmuster spontan durch Symmetrie-Brechung. Und nicht nur das: jeder Tropfen kommunizierte mit benachbarten Tropfen durch den Austausch von Chemikalien, der die jeweiligen inneren Ströme koordinierte – selbst dann, wenn sie weit voneinander entfernt waren.
Stuttgart – Kommunikation und organisiertes Verhalten gilt als die Quintessenz des Lebens. Zu den interessantesten Phänomenen biologischer Systeme gehört zum Beispiel das Verständnis der Entstehung zellulärer Muster.
Erkenntnisse über die Fähigkeit der Natur, sich aktiv selbst zu organisieren, werden von der Wissenschaft auf vielfältige Weise genutzt – unter anderem, um neue interaktive Materialien zu entwickeln. Wissenschaftler des Labors für Mikro, Nano und Molekulare Systeme am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart ist es nun gelungen, Tropfen mit Nanopartikeln dazu zu bringen, sich selbst zu organisieren und miteinander zu kommunizieren. Ihre Forschungsarbeit "Interface-mediated spontaneous symmetry breaking and mutual communication between drops containing chemically active particles" wurde am 5. Mai 2020 im Fachjournal Nature Communications publiziert.
Die Forscher des MPI-IS arbeiteten mit Wissenschaftlern der Universität Sevilla in Spanien zusammen. Gemeinsam fanden sie eine einfache, jedoch hochgradig interaktive Form aktiver Materie. Sie verwendeten Pulver aus Titandioxid (TiO2), fügten Peroxid hinzu und setzten das Gemisch in einen Wassertropfen. „An den Partikeln findet eine chemische Reaktion statt, wenn wir sie mit UV-Licht bestrahlen. Obwohl die einzelnen Partikel nicht beweglich sind, ist es etwas ganz anderes, wenn viele von ihnen zusammenkommen. Indem wir eine große Anzahl von Nanopartikeln in einem Tropfen einschließen, konnten wir ein sehr dichtes System aktiver Partikel generieren und beobachten“, erklärt Dhruv Singh, der Erstautor der Studie. Bis vor kurzem war Singh ein Postdoc am MPI-IS; aktuell ist er Assistenzprofessor am Indian Institute of Technology Bhilai in Indien. „Das Tröpfchen mit den TiO2-Partikeln wurde sorgfältig in Öl platziert. Bei der Beleuchtung sahen wir, wie sich innerhalb des Tropfens spontan Strömungen entwickelten und die Partikel sich selbst zu einem definierten Muster organisierten“, fügt Singh hinzu.
Abbildung: Ein einzelner Tropfen mit aktiven Nanopartikeln, die sich kollektiv organisieren (links); sowie mehrere Tropfen, die kommunizieren und ihre Strömungsmuster koordinieren (rechts).
Die Forscher erklären das Phänomen durch einen neuartigen Mechanismus, der einerseits auf der räumlichen Einkapselung im Tropfen und anderseits auf den Änderungen in der chemischen Zusammensetzung von der Grenzfläche des Tropfens basiert, die die Strömungen erzeugen (Marangoni-Effekte) und durch die chemischen Reaktionen der Partikel hervorgerufen werden. Bemerkenswert ist, dass innerhalb jedes Tropfens nicht nur eine Selbstorganisation stattfindet, sondern jeder Tropfen spontan mit benachbarten Tropfen interagiert, die alle ihre Strömungen „koordinieren“ – selbst dann, wenn sie weit voneinander entfernt sind.
„Unsere Studie veranschaulicht, wie aktive Teilchen – wenn sie in großer Zahl und hoher Dichte vorkommen – makroskopisch geordnete Systeme bilden und chemisch kommunizieren können“, sagt Peer Fischer, Leiter des Mikro, Nano und Molekulare Systeme Labors am MPI-IS und Professor für Physikalische Chemie an der Universität Stuttgart. „Wir haben hochverdichtete aktive Systeme realisiert und ein Modellsystem zur Untersuchung kollektiver Phänomene gefunden. Die Tropfen können verwendet werden, um komplexes Strömungsverhalten zu erzielen und somit Flüssigkeiten zu pumpen“, so Singh abschließend.