Mikroteilchen schwimmen gegen den Strom

Physiker der Universität Bielefeld entdecken paradoxe Teilchenbewegung -Ergebnisse im renommierten Wissenschaftsmagazin „Nature“ veröffentlicht

Wirkt eine Kraft auf einen Körper, so folgt die Bewegung des Körpers der Richtung dieser Kraft. Dieses Prinzip beschrieb Sir Isaac Newton bereits im 17. Jahrhundert. Physiker der Universität konnten nun einen Effekt demonstrieren, der das Newton’sche Gesetz zu überlisten scheint: Mikro-Kügelchen folgen nicht der an sie angelegten Kraft, sondern bewegen sich in die entgegengesetzte Richtung. Dieses einzigartige Ergebnis entstand in einem gemeinsamen Forschungsprojekt der Experimentellen Biophysik (Dr. Alexandra Ros, Thana Tu Duong, Jan Regtmeier, Prof. Dr. Dario Anselmetti) und der Theoretischen Physik (Dr. Ralf Eichhorn, Prof. Dr. Peter Reimann) aus dem Sonderforschungsbereich 613 „Physik von Einzelmolekülprozessen und molekularer Erkennung in organischen Systemen“.

Kleine Teilchen zittern. Bewegungen von Kügelchen, die etwa einen Mikrometer groß sind – das entspricht dem Zehntel des Durchmessers eines Haares – und in einer wässrigen Lösung schwimmen, nennt man „Brown’sche Molekularbewegung“. Oft gilt dieses Teilchenzittern als störend bei sehr sensiblen Untersuchungen und wird deswegen unterdrückt. Die Bielefelder Physiker hingegen nutzten diese vermeintliche Störung erstmals gezielt für ihre Zwecke: In einem so genannten Lab-on-a-Chip, einem ’Mini-Labor’ zur Untersuchung kleinster Flüssigkeitsmengen, gelang es ihnen, kleine Polymer-Kügelchen ’gegen den Strom’ schwimmen zu lassen. Die Mikro-Kugeln folgten nicht der Richtung der Kraft, die an sie angelegt worden war, sondern bewegten sich in die entgegengesetzte Richtung. Dank der besonderen Struktur des Chips, der Brown’schen Molekularbewegung und der exakt austarierten Kraftfelder konnte so Newtons Bewegungsgesetz ’überlistet’ werden.

Theoretisch war dieser Effekt – im Fachjargon „absolut negative Mobilität“ genannt – in stark vereinfachten Modellsystemen zwar schon vorhergesagt worden. Die Physiker der Universität Bielefeld haben es jedoch als erste verstanden, dieses abstrakte Konzept in die Praxis umzusetzen und Möglichkeiten seiner Anwendung für die Bioanalytik aufzuzeigen. Es ist denkbar, das Transportphänomen zu nutzen, um mit Hilfe eines Lab-on-a-Chip Zellen oder sogar Biomoleküle zu trennen und zu sortieren. Die Brown’sche Molekularbewegung geschickt auszunutzen, statt sie als Störung zu unterdrücken, eröffnet neue, aufregende Perspektiven in der Welt der Mikro- und Nanotechnologie mit faszinierenden Anwendungen.

Die genauen Ergebnisse erscheinen demnächst im renommierten Wissenschaftsmagazin „Nature“ unter dem Titel „Absolute negative particle mobility“. Auf der Homepage der Zeitschrift stehen sie bereits jetzt online zur Verfügung.

Kontakt: Dr. Alexandra Ros, Fakultät für Physik, Experimentelle Biophysik, Universität Bielefeld, Postfach 100131, Tel. 0521/106 5403, E-Mail: aros@physik.uni-bielefeld.de
Prof. Dr. Peter Reimann, Fakultät für Physik, Theorie der Kondensierten Materie, Universität Postfach 100131, Tel. 0521/106 6206, E-Mail: reimann@physik.uni-bielefeld.de
Homepage der Zeitschrift „Nature“: www.nature.com