Physik

Die chaotische Bewegung einer Ansammlung sich aktiv bewegender molekularer Stäbe kann genutzt werden, um millimetergroße Propeller und Windräder zu drehen, wie neue Experimente zeigen [1]. Die Bewegung der Stäbe wurde durch chemisch angetriebene molekulare Motoren angetrieben, die benachbarte Stäbe dazu veranlassen, sich zu verbinden und aneinander vorbeizuziehen. Die Fähigkeit, die Energie dieser mikroskopisch kleinen Maschinen in großräumige Bewegung umzuwandeln, könnte schließlich zum Antrieb kleiner Pumpen genutzt werden, die ohne externe Energie arbeiten.

Aktive Materie bezieht sich auf eine Ansammlung von Objekten, die sich durch einen energieverbrauchenden Prozess selbstständig bewegen können. Es zeichnet sich oft durch seine Fähigkeit aus, aus Unordnung Ordnung zu schaffen. Beispielsweise schwimmen bestimmte Bakterien isoliert in keine bestimmte Richtung, aber Forscher haben gezeigt, dass diese Bakterien gemeinsam ein mikroskopisch kleines Zahnrad drehen können, indem sie vorzugsweise gegen eine Seite der Zahnradkerben stoßen [2].

Andere Arten aktiver Materie zeigen eine kollektive Bewegung durch eine Anordnung stabartiger Elemente. Dieses sogenannte aktive nematische Verhalten kommt bei bestimmten Arten biologischer Gewebe häufig vor, beispielsweise bei Schichten länglicher Epithelzellen (siehe Zusammenfassung: Sich ausdehnende und zusammenziehende Zellen). Die aktiven Elemente richten sich normalerweise zueinander aus, ihre einzelnen Bewegungen können jedoch zu Bereichen mit Fehlausrichtung führen, die als Defekte bezeichnet werden. Diese Regionen bilden sich und bewegen sich auf unvorhersehbare Weise. „Einer der faszinierenden Aspekte [der aktiven Nematik] besteht darin, dass wir dieses intern erzeugte Chaos nutzen können, um eine Art kohärente Bewegung zu erzeugen“, sagt Zvonimir Dogic von der University of California in Santa Barbara.

Dogic und seine Kollegen führten ein Experiment mit einem aktiven nematischen Material durch, das ein molekulares Motorprotein namens Kinesin mit stäbchenförmigen Biopolymeren namens Mikrotubuli kombiniert. Im Inneren der Zellen fungieren Mikrotubuli als Autobahnen, entlang derer Kinesinmoleküle Zellfracht transportieren. In einer konzentrierten Suppe aus Mikrotubuli kann sich ein Kinesinmolekül an zwei benachbarten Mikrotubuli festklammern und dazu führen, dass eines an dem anderen vorbeigleitet. Dieses Verhalten führt zu zwei Arten von Defekten in den Ausrichtungsmustern: kometenförmige „positive“ Defekte und dreieckige „negative“ Defekte (wobei das Vorzeichen auf der Ausrichtung der Mikrotubuli um den Defekt basiert).

Die Forscher untersuchten die Bewegungen dieser beiden Defekttypen in einem zylindrischen Tank, in dem das aktive Nematik auf die beiden Dimensionen einer Öl-Wasser-Grenzfläche beschränkt war. Im selben Tank platzierte das Team schwimmende Objekte mit einer Breite von mehreren hundert Mikrometern und verschiedenen Formen – darunter Kreis, Stern und Windrad. Die aktive Nematik schubste symmetrische Objekte wie den Kreis und den Stern, ohne jedoch eine Nettorotation hervorzurufen. Im Gegensatz dazu bewirkte die aktive Nematik, dass sich die Windradformen mit einer Geschwindigkeit von etwa 0,2 Umdrehungen pro Minute drehten.

Um diese Beobachtungen zu erklären, verfolgte das Team die Defektbewegung im Tank und enthüllte ein unerwartetes Verhaltensmuster rund um das Windrad: Positive Defekte bildeten sich routinemäßig direkt hinter den Windradblättern. Jeder neu gebildete Defekt folgte einer ähnlichen Flugbahn, indem er über die zugehörige Klinge streifte und dann nach außen schoss – ein Prozess, der dazu führte, dass sich hinter der Klinge ein neuer Defekt bildete. Dieses zyklische Muster erzeugte eine Nettorotationskraft (Drehmoment) auf das Windrad. Die durchschnittliche Geschwindigkeit der Klingen an ihren Spitzen betrug etwa 3 µm/s, was etwa der Hälfte der durchschnittlichen Geschwindigkeit der Defekte entsprach. Dogic sagt, dass dieses Geschwindigkeitsverhältnis im Allgemeinen im gleichen Bereich liegt wie das von Windkraftanlagen, deren Spitzen sich mit der siebenfachen durchschnittlichen Windgeschwindigkeit bewegen können (obwohl die Geometrie anders ist).

Allerdings war die erzeugte Rotationsenergie gering im Vergleich zur Menge an chemischer Energie, die die Kinesinmoleküle verbrennen. „Es geht viel Energie verloren, und es ist nicht wirklich klar, wo sie verloren geht“, sagt Dogic. Dennoch sieht er potenzielle Anwendungen in der Mikrofluidik, da ein aktives nematisches Material einen Nettofluss in einem Kanal erzeugen könnte, dessen Wände mit klingenartigen Vorsprüngen bedeckt sind. Der Vorteil wäre, dass das Pumpen autark wäre – es müsste kein externer Strom zugeführt werden, sagt Dogic.

„Diese Forschung stellt eine wunderbare Verbindung grundlegender Geometrie und Topologie dar, die die Möglichkeit zum Leben erweckt, anisotrope aktive Materialien für die Stromversorgung von Geräten zu nutzen“, sagt Kathleen Stebe, Forscherin für komplexe Flüssigkeiten an der University of Pennsylvania. „Aktive Materie entwickelt sich zu einem ausgereiften Feld“, sagt Seth Fraden, Spezialist für weiche Materie von der Brandeis University in Massachusetts. Theoretiker haben ähnliche Experimente modelliert, aber es gab nur wenige experimentelle Tests, sagt er. „Die Herausforderung für die Theorie dieser Arbeit besteht darin, die hier beschriebenen Phänomene zu reproduzieren und dann Formen von Zahnrädern vorherzusagen, die turbulenten aktiven Flüssigkeiten maximale Arbeit entziehen.“

–Michael Schirber

Michael Schirber ist korrespondierender Herausgeber des Physics Magazine mit Sitz in Lyon, Frankreich.

Sattvic Ray, Jie Zhang und Zvonimir Dogic

Physik. Rev. Lett. 130, 238301 (2023)

Veröffentlicht am 9. Juni 2023

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