Microzwemmers zijn levenloze microdeeltjes, maar ze bewegen zich als motten naar het licht

De Freigeist-groep aan de TU Dresden, onder leiding van chemicus Dr. Juliane Simmchen, heeft een indrukwekkend gedrag van synthetische microzwemmers bestudeerd: zodra de fotokatalytische deeltjes een verlichte zone verlaten, draaien ze zelfstandig om en zwemmen ze terug het licht in. Deze veelbelovende observatie en de analyse ervan is onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Zachte materie als een “Emerging Investigator” -artikel.

Dr. Juliane Simmchen, freigeist fellow van de TU Dresden, onderzoekt met haar multidisciplinaire junior onderzoeksgroep de beweging van synthetische microzwemmers in vloeistoffen. Haar doel is om deze levenloze microdeeltjes uit zichzelf in een bepaalde richting te laten bewegen en zo in de toekomst te gebruiken in sensortechnologie of biologische reiniging. “Eigenlijk is het een beetje zoals computerspelletjes spelen in het laboratorium”, beschrijft de scheikundige haar buitengewone onderzoekswerk in een interview met de Volkswagen Foundation.

De Simmchen-groep werkt met de zogenaamde “Janusdeeltjes”. Deze bestaan ​​uit een lichaam van titaandioxide met twee verschillend gecoate zijden: een zijde met een katalytisch actieve laag van nikkel en goud, de andere zijde blijft onbehandeld. Titaandioxide wordt gebruikt als bleekmiddel, bijvoorbeeld in muurverf, maar het reageert ook met licht. Hierdoor zijn Janus-deeltjes fotokatalytisch, wat betekent dat zodra er licht op valt er chemische reacties optreden die een beweging in gang zetten.

De groep heeft nu een buitengewoon ongebruikelijk fenomeen in de beweging van Janus-deeltjes waargenomen en geanalyseerd: zodra de deeltjes een verlichte zone in de microscoop verlaten, draaien ze zichzelf om en zwemmen terug – een gedrag dat eigenlijk alleen bekend is van micro-organismen. Maar hoe kan dergelijk complex gedrag worden geactiveerd bij synthetische microzwemmers?

Eerste auteur Lukas Niese en Dr. Simmchen konden aantonen dat zolang de deeltjes actief zijn in het licht, hun zwemrichting wordt gestabiliseerd door een combinatie van fysisch-chemische effecten. Zodra de deeltjes niet meer aan licht worden blootgesteld, vindt er geen energieomzetting plaats en is de bewegingsrichting niet meer stabiel. “In dit geval”, legt Lukas Niese uit, “treedt de natuurlijke thermische beweging (Brownian Motion) op. Dit zorgt ervoor dat de deeltjes virtueel omkeren, en dan zwemmen ze terug in het blootgestelde gebied.”

“Het feit dat zulke simpele effecten als de Brownian Motion tot dergelijk complex gedrag kunnen leiden, was nogal verbazingwekkend en indrukwekkend, vooral wat betreft de evolutie en de ontwikkeling van capaciteiten. We zouden van deze eigenschap gebruik kunnen maken voor de gerichte controle van microrobots. Toepassingen zijn denkbaar waarin de deeltjes verontreinigende stoffen uit vloeistoffen filteren en verwijderen of medicijnen door het lichaam transporteren, en misschien zelfs informatie transporteren ”, zegt dr. Simmchen, die de betekenis van de ontdekking uitlegt.