Kunst­stoff­teil­chen prä­zi­se steu­ern: Bay­reu­ther Phy­si­ker fin­den unge­wöhn­li­che Kol­lo­ide

Phy­si­ker der Uni­ver­si­tät Bay­reuth haben Kunst­stoff­teil­chen ent­deckt, die es ermög­li­chen, Bewe­gun­gen ein­zel­ner Mole­kü­le lücken­los zu beob­ach­ten und prä­zi­se zu steu­ern. Neu­ar­ti­ge Mikro­chips, die nur weni­ge Zehn­tel­mil­li­me­ter groß sind und eine der­ar­ti­ge Steue­rung gewähr­lei­sten, sind daher kei­ne Zukunfts­mu­sik mehr. Bei den Kunst­stoff­teil­chen han­delt es sich um Kol­lo­ide. Im Inne­ren eines kom­ple­xen, magne­tisch struk­tu­rier­ten Mate­ri­als ver­än­dern sie ihre Posi­ti­on kaum, an den Gren­zen des Mate­ri­als bewe­gen sie sich jedoch zügig vor­an.

Auf den Spu­ren der Nobel­preis­trä­ger

Die Kol­lo­ide ver­hal­ten sich somit ähn­lich wie die Elek­tro­nen topo­lo­gi­scher Iso­la­to­ren. Dies ist eine Mate­ri­al­klas­se, die seit weni­gen Jah­ren die phy­si­ka­li­sche For­schung immer stär­ker fas­zi­niert. Topo­lo­gi­sche Iso­la­to­ren zeich­nen sich dadurch aus, dass sie an den Mate­ri­al­gren­zen elek­trisch leit­fä­hig sind, aber in ihrem Innern kei­nen elek­tri­schen Strom hin­durch­las­sen. Es waren die bri­ti­schen Phy­si­ker David Thouless, Dun­can Haldane und Micha­el Koster­litz, die mit theo­re­ti­schen Berech­nun­gen die Erfor­schung die­ser Fest­kör­per wesent­lich vor­an­ge­bracht haben und dafür 2016 mit dem Phy­sik-Nobel­preis aus­ge­zeich­net wur­den. Seit­her stieg auch das Inter­es­se an gro­ßen Par­ti­keln, die ähn­li­che Eigen­schaf­ten wie die wesent­lich klei­ne­ren Elek­tro­nen in topo­lo­gi­schen Iso­la­to­ren haben und ihnen ana­log sind.

Den Bay­reu­ther Phy­si­kern ist es nun erst­mals gelun­gen, sol­che Par­ti­kel zu iden­ti­fi­zie­ren. Es sind Kol­lo­ide, die an ihrer jewei­li­gen Posi­ti­on ver­har­ren, wenn sie im Innern eines kom­ple­xen Mate­ri­als platz­iert sind. Doch an den Gren­zen die­ses Mate­ri­als kön­nen sie sich ent­lang­han­geln. Hier bewe­gen sie sich in schlei­fen­för­mi­gen Bah­nen zügig fort. Bis­her sind kei­ne ande­ren Teil­chen bekannt, die den Elek­tro­nen topo­lo­gi­scher Iso­la­to­ren in die­ser Wei­se ähn­lich sind.

Künf­ti­ge Chips als Minia­tur-Labo­ra­to­ri­en

Das außer­ge­wöhn­li­che Ver­hal­ten die­ser Kol­lo­ide in und auf einem kom­ple­xen Mate­ri­al beruht auf dem struk­tu­rier­ten Magnet­feld, dem sie aus­ge­setzt sind. Infol­ge die­ses Magnet­felds lässt sich die Fort­be­we­gung der Kol­lo­ide auf der Ober­flä­che des Mate­ri­als nicht nur unun­ter­bro­chen beob­ach­ten, son­dern auch prä­zi­se steu­ern.

Genau hier liegt ein viel­ver­spre­chen­des Poten­zi­al für künf­ti­ge Anwen­dun­gen in For­schung und Ent­wick­lung: „Auf den Kol­lo­iden las­sen sich – bei­spiels­wei­se im Rah­men bio­me­di­zi­ni­scher Unter­su­chun­gen – ein­zel­ne Mole­kü­le platz­ie­ren, die im Hucke­pack-Ver­fah­ren exakt von einer Posi­ti­on an eine ande­re gewünsch­te Posi­ti­on trans­por­tiert wer­den. Die Kol­lo­ide eig­nen sich daher für die Her­stel­lung von Mikro­chips, auf denen die­se Pro­zes­se exakt gesteu­ert und beob­ach­tet wer­den kön­nen. Die­se Chips wären dann Minia­tur-Labo­ra­to­ri­en für ver­schie­den­ste Expe­ri­men­te, die auf eine der­ar­ti­ge prä­zi­se Steue­rung ange­wie­sen sind“, erklärt Dr. Dani­el de las Heras, der die For­schungs­ar­bei­ten in Bay­reuth gemein­sam mit Dr. Johan­nes Löhr vor­an­ge­trie­ben hat.

For­schungs­ko­ope­ra­tio­nen:

Die jetzt in Com­mu­ni­ca­ti­ons Phy­sics ver­öf­fent­lich­ten Erkennt­nis­se sind her­vor­ge­gan­gen aus einer engen Zusam­men­ar­beit mit For­schungs­grup­pen an der Uni­ver­si­tät Kas­sel und der Adam-Mickie­wicz-Uni­ver­si­tät Poz­nań.

Ver­öf­fent­li­chung:

Loehr, J., de las Heras, D., Jar­osz, A., Urba­ni­ak, M., Sto­biecki, F., Tomita, A., Huhn­stock, R., Koch, I., Ehre­s­mann, A., Holz­in­ger, D. & Fischer, Th. M., Col­lo­idal topo­lo­gi­cal insu­la­tors. Com­mu­ni­ca­ti­on Phy­sics (2018), DOI: 10.1038/s42005-017‑0004‑1

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