Flüssige Murmeln: Gefüllte Mikrokugeln lassen sich mit Licht steuern

Mit Laserpulsen angetrieben können Arzneien und Chemikalien zu gewünschten Positionen gelenkt werden
Mikroskopaufnahme der flüssigen Murmeln mit einer dünnen Hülle aus Ruß.
Mikroskopaufnahme der flüssigen Murmeln mit einer dünnen Hülle aus Ruß.
© S. Fujii et al.; Osaka Institute of Technology
Mainz/Osaka (Japan) - Winzige Rußkugeln eignen sich als Transportcontainer für kontrollierte chemische Reaktionen. Diese sogenannten flüssigen Murmeln können mit flüssigen Arzneien oder Chemikalien gefüllt und in Zukunft in der Medizin oder der chemischen Industrie genutzt werden. Die Grundlage dazu legte eine Gruppe deutscher und japanischer Wissenschaftler. Wie sie in der Fachzeitschrift „Advanced Functional Materials“ berichten, reichten kurze Laserpulse aus, um die flüssigen Murmeln mit einer Geschwindigkeit von einigen Zentimetern pro Sekunde über eine Wasseroberfläche zu treiben. Stärkere Laserpulsen ließen sie platzen, um die Fracht an einer gewünschten Position zu entladen.

„Unsere Mikrokugeln, flüssige Murmeln genannt, können mit einem Infrarotlaser kontrolliert über eine Wasseroberfläche bewegt werden“, erklären Syujii Fujii vom Osaka Institute of Technology und seine Kollegen vom Max Planck Institut für Polymerforschung in Mainz. Als Füllmaterial griffen die Forscher zu jeweils einer von zwei pulvrigen Substanzen: zu Ruß und dem Polymer Polypyrrol. Sie setzten einen Wassertropfen auf das jeweilige Pulver und ließen ihn etwas hin und her rollen. Sofort bildete sich um den Tropfen eine hauchdünne und dennoch wasserdichte Schicht. Stabilisiert wurden diese flüssigen Murmeln mit bis zu drei Millimetern Durchmesser durch die abstoßenden Kräfte zwischen Wasser und Pulver.

Diese Murmeln schwammen dank der Oberflächenspannung auf einer Wasserschicht. Wurden sie nun von einer Seite mit kurzen Pulsen eines Infrarotlasers (808 Nanometer Wellenlänge, 200 Milliwatt Leistung) beleuchtet, heizte sich die Hülle aus Ruß oder Polypyrrol einseitig schnell auf bis zu 1000 Grad auf. Dadurch setzten sich die Kugeln in Bewegung und drifteten mit bis zu drei Zentimetern pro Sekunde vom Laserstrahl weg. Verantwortlich für diesen Effekt war ein Unterschied in der Oberflächenspannung des kühlen Wassers vor der Kugel im Vergleich zum leicht auf 30 Grad erwärmten Wasser auf der beleuchteten Kugelseite.

Um die kleinen Kugeln an einer gewünschten Stelle zum Platzen zu bringen, mussten sie nur senkrecht von oben etwas länger mit dem Infrarotlaser beleuchtet werden. Dadurch verdampfte das Hüllmaterial, die Kugel kollabierte und setzte ihre flüssige Fracht frei. In einem weiteren Versuch dockten die Forscher einen kleinen Schwimmkörper mit einem Gewicht von 390 Milligramm an zwei flüssige Murmeln an. Wieder mit Infrarotpulsen aufgeheizt war der Antrieb kraftvoll genug, um den Schwimmkörper ebenfalls mit bis zu drei Zentimetern pro Sekunde über das Wasser zu schieben.

Die ersten Versuche erfolgten mit Wasser und einer wässrigen Kaliumthiocyanat-Lösung als flüssige Fracht. Doch man könnte auch medizinische Wirkstoffe oder andere Chemikalien in Wasser auflösen und mit Laserpulsen ferngesteuert über eine Flüssigkeit lenken. Die Forscher sind davon überzeugt, dass diese Transportmethode für kleine Flüssigkeitsmengen im medizinischen und chemischen Bereich eingesetzt werden könnte.

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