Bewegungsvermögen gekoppelter Schwimmer

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Mertig
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 254569270

Mit Hilfe moderner Methoden der DNA-Technologie sollen gekoppelte thermophoretische Schwimmer aufgebaut und ihr Bewegungsvermögen untersucht werden.Das besondere Merkmal unseres Ansatzes ist ein integrierter Kraftmesser, der es ermöglicht, die in die Fortbewegung gekoppelter Schwimmer involvierten Kräfte in situ zu bestimmen. Damit kann die selbst-getriebene Bewegung physikalisch beschrieben werden. Der Kraftmesser besteht aus einem doppelsträngigen DNA-Molekül, das die Kopplung des treibenden Januspartikels mit einem Frachtpartikel vermittelt. Da das Kraft-Abstands-Verhalten von DNA genau bekannt ist, erlaubt die Messung des Abstandes zwischen beiden Partikeln die Bestimmung der lokal wirkenden Kräfte.Die hier verwendeten Januspartikel bestehen aus sphärischen Polystyren-Mikropartikeln, bei denen eine Halbkugel mit einer dünnen Goldschicht versehen ist. Bei Bestrahlung mit Laserlicht entsteht ein asymmetrisches Temperaturprofil, das ein hydrodynamisches Flussfeld induziert.DNA-Technologie erlaubt es, auf einfache Weise den Abstand zwischen Januspartikel und Frachtpartikel zu variieren. Damit sollen Arrangements gekoppelter Schwimmer aufgebaut werden, bei denen sich das Frachtpartikel entweder innerhalb oder außerhalb des laserinduzierten Flussfeldes befindet. Hiermit ist es möglich, den Einfluss der Fracht auf das lokale Flussfeld und somit auf die Bewegung zu untersuchen. Durch Variation der Laserintensität und der entgegenwirkenden Kraft, gegeben durch die Stokes-Reibung des Frachtpartikels, wollen wir physikalische Parameter des Systems, z. B. die zum Stoppen des Januspartikels notwendige Kraft und die Rotationsrelaxationszeit ableiten.Wir konnten bereits experimentell zeigen, dass die Rotationsdiffusion durch Anbinden eines Frachtpartikels reduziert werden kann. Im vorgeschlagenen Projekt wollen wir dieses Verhalten detailliert untersuchen, da die Unterdrückung der Rotationsdiffusion eine wichtige Bedingung für die gerichtete Bewegung von Schwimmern darstellt. In diesem Zusammenhang planen wir auch den Einsatz von Verbindungselementen mit deutlich größerer mechanischer Steifigkeit, die mit Hilfe der DNA-Origami-Technik aufgebaut werden sollen.Im weiteren Verlauf des geplanten Projektes soll die Bewegungsfähigkeit komplexer Schwimmer untersucht werden, bei denen eine variable Anzahl gekoppelter Januspartikel simultan angeregt wird. Damit wollen wir die Abhängigkeit der Schwimmer-Geschwindigkeit und Kraft von der Anzahl der gesteuerten Partikel bestimmen. Hier ist es unser Ziel, das Verhalten dieser künstlichen Schwimmer mit dem von Mikrotubuli-assoziierten molekularen Motoren zu vergleichen.Wir planen eine enge Zusammenarbeit mit langjährigen Partnern der Universität Leipzig: mit der Gruppe von F. Cichos für Messungen an ihrem Dunkelfeld-Aufbau und der Gruppe von K. Kroy zur theoretischen Beschreibung der Motilität von komplexen Schwimmern. Wir erwarten, dass unsere Ergebnisse die Entwicklung neuer künstlicher Schwimmer fördern.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1726: Mikroschwimmer - Von Einzelpartikelbewegung zu kollektivem Verhalten