Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Künstliche Moleküle

04.04.2016

Eine neue Methode erlaubt es Wissenschaftlern der ETH Zürich und von IBM, aus verschiedenen Arten von Mikrokügelchen künstliche Moleküle herzustellen. Solche winzige Objekte möchten die Forschenden dereinst für Mikroroboter, in der Photonik sowie der biochemischen Grundlagenforschung verwenden.

Wissenschaftler der ETH Zürich und des IBM-Forschungszentrums in Rüschlikon entwickelten eine neue Technik, mit der sie erstmals komplex aufgebaute winzige Objekte aus Mikrokügelchen herstellen können. Diese Objekte sind wenige Mikrometer klein und modular aufgebaut.


Künstliche Moleküle. Die Einzelkomponenten sind hier mit unterschiedlichen Fluoreszenzfarbstoffen markiert (Grösse der Moleküle: 2-7 Mikrometer; Montage mikroskopischer Aufnahmen).

ETH Zürich / Lucio Isa

Sie können gezielt so konstruiert werden, dass Teilbereiche unterschiedliche physikalische Eigenschaften aufweisen. Ausserdem ist es sehr einfach, die Mikroobjekte nach der Herstellung in Lösung zu überführen. Damit unterscheidet sich die neue Technik wesentlich von Mikro-3D-Druckverfahren. Mit den meisten heutigen Mikro-3D-Druckverfahren lassen sich nur Objekte herstellen, die aus einem Material bestehen, einheitlich aufgebaut sind und bei der Produktion an eine Oberfläche gebunden sind.

Um die Mikroobjekte herzustellen, verwenden die ETH- und IBM-Forscher als Grundbausteine Kügelchen aus Kunststoff oder Siliziumdioxid mit einem Durchmesser von rund einem Mikrometer und unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften. Diese Partikel können die Wissenschaftler kontrolliert in gewünschter Geometrie und Reihenfolge anordnen.

Die so hergestellten Gebilde besetzen eine interessante Nische der Grössenskala: Sie sind viel grösser als typische chemische oder biochemische Moleküle, jedoch viel kleiner als typische Objekte der makroskopischen Welt. «Je nach Sichtweise könnte man von Riesenmolekülen oder von Mikroobjekten sprechen», sagt Lucio Isa, Professor für Grenzflächen, weiche Materie und Assemblierung an der ETH Zürich. Er leitete das Forschungsprojekt gemeinsam mit Heiko Wolf, Wissenschaftler bei IBM Research. «Bisher ist es noch keinen Wissenschaftlern gelungen, bei der Herstellung von künstlichen Molekülen auf der Mikroskala die Abfolge der Einzelkomponenten komplett zu kontrollieren», so Isa.

Vielfältige Anwendungsmöglichkeiten

Herstellen lassen sich mit der neuen Methode etwa Mikroobjekte mit präzise definierten magnetischen, nicht-magnetischen und unterschiedlich geladenen Bereichen. Derzeit können die Wissenschaftler Stäbchen in unterschiedlicher Länge und Zusammensetzung, winzige Dreiecke und erste, einfach aufgebaute dreidimensionale Objekte erstellen. Die Forschenden möchten die Technik jedoch weiterentwickeln. Für mögliche künftige Anwendungen denken sie an selbstangetriebene Mikrovehikel, die sich dank einer ausgeklügelten Geometrie und Materialzusammensetzung in einem externen elektrischen oder magnetischen Feld vorwärtsbewegen.

Ebenfalls denkbar sind Mikromixer für Lab-on-a-Chip-Anwendungen oder in ferner Zukunft sogar Mikroroboter für biomedizinische Anwendungen, die andere Mikroobjekte greifen und transportieren können. Ausserdem könnten die Forscher ihre künstlichen Moleküle so konzipieren, dass sie miteinander wechselwirken und sich selbständig zu grösseren «Superstrukturen» zusammenfinden. Das wäre beispielsweise anwendbar auf die Photonik (auf Licht basierende Signalverarbeitung). «In der Photonik werden massgeschneiderte Mikrostrukturen benötigt. Diese könnten dereinst mit unseren Bauteilen hergestellt werden», sagt Isa.

Herstellung mit Mikroschablonen

Um jeweils eine Grosszahl von identischen Mikroobjekten herzustellen, nutzen die Wissenschaftler Polymerschablonen mit eingravierten Vertiefungen in Form des gewünschten Objekts. Die Forschenden entwickelten eine Methode, mit der sie pro Arbeitsschritt jeweils ein Kügelchen pro Vertiefung deponieren können. Schritt für Schritt können sie so grössere Objekte aufbauen, wobei sie für jeden Schritt die Kügelchenart wählen können. Zum Schluss verbinden sie die Kunststoffkügelchen durch kurzes Erhitzen miteinander.

Beim derzeitigen Entwicklungsstand sind die Kügelchen fest miteinander verbunden. In Zukunft möchten die Forscher jedoch versuchen, die Kügelchen beweglich miteinander zu verbinden. Damit könnten die Objekte als Grossmodelle für chemische und biochemische Verbindungen dienen, beispielsweise um die Proteinfaltung experimentell zu studieren. Zudem möchten die Forschenden versuchen, die Objekte mit Kügelchen aus anderen Materialen als Kunststoff oder Siliziumdioxid zusammenzusetzen. «Im Prinzip lässt sich unsere Methode auf jedes Material anpassen, auch auf Metalle», so Isa.

Literaturhinweis

Ni S, Leemann J, Buttinoni I, Isa L, Wolf H: Programmable colloidal molecules from sequential capillarity-assisted particle assembly, Science Advances, 1. April 2016, doi: 10.1126/sciadv.1501779 [http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.1501779]

News und Medienstelle | Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETH Zürich)

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide
20.01.2017 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP

nachricht Metamaterial: Kettenhemd inspiriert Physiker
19.01.2017 | Karlsruher Institut für Technologie

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Innovatives Hochleistungsmaterial: Biofasern aus Florfliegenseide

Neuartige Biofasern aus einem Seidenprotein der Florfliege werden am Fraunhofer-Institut für Angewandte Polymerforschung IAP gemeinsam mit der Firma AMSilk GmbH entwickelt. Die Forscher arbeiten daran, das Protein in großen Mengen biotechnologisch herzustellen. Als hochgradig biegesteife Faser soll das Material künftig zum Beispiel in Leichtbaukunststoffen für die Verkehrstechnik eingesetzt werden. Im Bereich Medizintechnik sind beispielsweise biokompatible Seidenbeschichtungen von Implantaten denkbar. Ein erstes Materialmuster präsentiert das Fraunhofer IAP auf der Internationalen Grünen Woche in Berlin vom 20.1. bis 29.1.2017 in Halle 4.2 am Stand 212.

Zum Schutz des Nachwuchses vor bodennahen Fressfeinden lagern Florfliegen ihre Eier auf der Unterseite von Blättern ab – auf der Spitze von stabilen seidenen...

Im Focus: Verkehrsstau im Nichts

Konstanzer Physiker verbuchen neue Erfolge bei der Vermessung des Quanten-Vakuums

An der Universität Konstanz ist ein weiterer bedeutender Schritt hin zu einem völlig neuen experimentellen Zugang zur Quantenphysik gelungen. Das Team um Prof....

Im Focus: Traffic jam in empty space

New success for Konstanz physicists in studying the quantum vacuum

An important step towards a completely new experimental access to quantum physics has been made at University of Konstanz. The team of scientists headed by...

Im Focus: Textiler Hochwasserschutz erhöht Sicherheit

Wissenschaftler der TU Chemnitz präsentieren im Februar und März 2017 ein neues temporäres System zum Schutz gegen Hochwasser auf Baumessen in Chemnitz und Dresden

Auch die jüngsten Hochwasserereignisse zeigen, dass vielerorts das natürliche Rückhaltepotential von Uferbereichen schnell erschöpft ist und angrenzende...

Im Focus: Wie Darmbakterien krank machen

HZI-Forscher entschlüsseln Infektionsmechanismen von Yersinien und Immunantworten des Wirts

Yersinien verursachen schwere Darminfektionen. Um ihre Infektionsmechanismen besser zu verstehen, werden Studien mit dem Modellorganismus Yersinia...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Mittelstand 4.0 – Mehrwerte durch Digitalisierung: Hintergründe, Beispiele, Lösungen

20.01.2017 | Veranstaltungen

Nachhaltige Wassernutzung in der Landwirtschaft Osteuropas und Zentralasiens

19.01.2017 | Veranstaltungen

Künftige Rohstoffexperten aus aller Welt in Freiberg zur Winterschule

18.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Ionen gegen Herzrhythmusstörungen – Nicht-invasive Alternative zu Katheter-Eingriff

20.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Ein neuer Index zur Diagnose einer nichtalkoholischen Fettlebererkrankung

20.01.2017 | Biowissenschaften Chemie

Das Cockpit für Kühlgeräte

20.01.2017 | Energie und Elektrotechnik