Bewegung chemisch aktiver Mikroobjekte in eingeschränkten Geometrien

• Antragsteller: Professor Dr. Samuel Sanchez Ordonez; Dr. Mykola Tasinkevych
• Fachliche Zuordnung: Statistische Physik, Nichtlineare Dynamik, Komplexe Systeme, Weiche und fluide Materie, Biologische Physik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 230022700

Mikrometer große Objekte können sich mittels verschiedener Mechanismen fortbewegen, beispielsweise durch Eigendiffusiophorese oder bläscheninduziertes Pumpen. Dies geschieht, wenn bestimmte Bereiche der Teilchenoberfläche als Katalysator für eine chemische Reaktion in der umgebenden Flüssigkeit wirken. Zukünftig könnten solche chemisch aktiven Mikroobjekte (im folgenden chemische Selbstantreiber genannt) als autarke Transporteinheiten in mikrofluidischen Geräten eingesetzt werden. Bisher konnten jedoch noch keine konkreten Anwendungen, wie beispielsweise in der Mikromechanik oder in der zielgerichteten Medikamentenzuführung, entwickelt werden, da die Dynamik dieser chemischen Selbstantreiber in der Nähe von Wänden oder in Mikrokanälen unzureichend verstanden ist. In dem vorliegenden Projekt schlagen wir eine systematische Untersuchung von sorgfältig konzipierten Modellsystemen vor. Experimentelle, theoretische und numerische Ansätze werden zusammengeführt um ein klares Verständnis des Einflusses räumlicher Beschränkungen auf die Bewegung der chemischen Selbstantreiber zu bekommen. Die Zielsetzungen des Projektes sind folgende: i) den Einfluss eingeschränkter Geometrien auf die Bewegung verschiedener chemischer Selbstantreiber klären; ii) Anwendung der in i) gewonnenen Erkenntnisse einerseits zur Entwicklung neuer Methoden der kontrollierten Bewegung dieser Objekte und andererseits zur Optimierung des Frachttransportes dieser chemische Selbstantreiber. Es sollen paradigmatisch zwei Typen chemischer Selbstantreiber untersucht werden: kugelförmige Janus-Kolloide, welche teilweise mit einem Katalysator überzogen sind; und zylindrische Röhren, deren innerer Radius sich entlang der Längsachse verengt und deren Innenseite mit einem Katalysator bedeckt ist. Begründet ist unsere Wahl damit, dass diese beiden Typen zwei Extreme im Spektrum der chemischen Selbstantreiber repräsentieren: Erstere sind durch Eigendiffusiophorese und letztere durch bläscheninduziertes Pumpen angetrieben. Betrachtet werden für die Bewegung in Mikrofluidik-Chips relevante (eingeschränkte) Geometrien: eine einzelne chemisch homogene oder strukturierte Wand; zwei Wände, sowohl parallel zueinander als auch senkrecht zueinander stehend; sowie rechteckige und zylindrische Kanäle. Der Einfluss der räumlichen Eingrenzungen auf die Selbstbewegung soll quantifiziert werden durch die lineare Geschwindigkeit und die Winkelgeschwindigkeit als Funktion verschiedener Parameter wie des Abstandes von der Wand oder den Randbedingungen für den hydrodynamischen Fluss und die Konzentration der Reaktionsprodukte. Diese Ergebnisse sollen verwendet werden um die Persistenz der gerichteten Bewegung von Selbstantreibern in den Experimenten zu optimieren, beispielsweise mittels strukturierter smarter Oberflächen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Australien
• Beteiligte Person: Dr. Mihail Popescu