Forscher untersuchten Wechselwirkungen in künstlichen Systemen

Diese Erkenntnis haben sie jetzt im Fachjournal „Nature Communications“ veröffentlicht. Wissenschaftler der Universitäten in Leipzig und Princeton haben in Experimenten herausgefunden, wie durch Informationsaustausch zwischen einzelnen Objekten neue Strukturen mit besonderen Eigenschaften entstehen können. Sie schafften es, mit gezielten Informationen Objekte – sogenannte künstliche Mikroschwimmer – aneinanderzubinden.

Diese kleinsten mit Goldnanopartikeln dekorierten Polymerkugeln können sich zielgerichtet in Flüssigkeiten bewegen. Die Physiker und Chemiker fanden bei ihrem Experiment heraus, dass diese Mikroschwimmer, die wie lebende Systeme Energie in eine aktive Bewegung umwandeln, durch diese Bewegung aneinander gebunden werden können. Diese Erkenntnis haben sie jetzt im Fachjournal „Nature Communications“ veröffentlicht.

Die Physik untersucht Wechselwirkungen, die die elementaren Bausteine der Materie zusammenhalten und Materialien mit all ihren Eigenschaften erzeugen, wie wir sie heute selbstverständlich benutzen. Neben diesen fundamentalen Kräften existieren aber auch Mechanismen, die Strukturen bilden, ohne dass zwischen den Objekten eine direkte Kraft wirken muss.

Derartige Selbstorganisationsprozesse existieren zum Beispiel in einem Schwarm von Bienen oder Vögeln, ohne dass es eine direkte physikalische Kraft zwischen den Bienen oder Vögeln geben muss. Lebendige Organismen nehmen Informationen aus ihrer Umwelt auf, verarbeiten und reagieren auf diese.

Bereits Zellen oder Bakterien registrieren Informationen aus ihrer Umgebung über Rezeptoren und steuern so unter anderem ihre Bewegung. Informationen und deren Verarbeitung sind also ein wichtiger Teil lebender Systeme.

Künstliche Systeme wie die von den Forschern untersuchten Mikroschwimmer können diese Information allerdings nicht verarbeiten und auf sie reagieren, erklärt Utsab Khadka, Postdoc in der Arbeitsgruppe von Haw Yang an der Universität in Princeton in den USA. Um diese Mikroschwimmer etwas schlauer zu machen, verwenden die Forscher einen Laser, der anhand der Information über die Entfernung anderer Schwimmer entscheidet, in welche Richtung die Schwimmer sich bewegen sollen.

“Sobald man Informationen aus seiner Umgebung wahrnimmt, verarbeitet und auf diese reagiert, hat man die Möglichkeit, über die Wirkung physikalischer Kräfte hinaus zu gehen”, erläutert Physiker Prof. Dr. Frank Cichos von der Universität Leipzig. „Es lassen sich Strukturen erzeugen, die nicht mehr einfach nur vom komplexen Zusammenspiel der Wechselwirkung zwischen Ladungen entstehen“, fügt er hinzu.

In der Physik gibt es dazu ein berühmtes von James Clerk Maxwell ersonnenes Gedankenexperiment – den Maxwellschen Dämon: Ein kleiner Dämon ist in der Lage, eine Tür zwischen zwei Räumen zu öffnen und zu schließen, ohne Arbeit zu verrichten. Er beobachtet die Gasmoleküle in den zwei Räumen und aufgrund seiner Beobachtung lässt er die schnellen Gasmoleküle durch die Tür in einen der beiden Räume und lässt die langsamen im anderen Raum.

Dadurch entsteht ein Temperaturunterschied zwischen beiden Räumen, ohne dass der Dämon Arbeit zu verrichten hat. Der Prozess verstößt damit gegen die Gesetze der Physik, und man könnte mit dem Temperaturunterschied wieder eine Maschine betreiben, die Arbeit verrichtet. „Eine Lösung des Problems erhält man nur, wenn man die Information, die der Dämon über die Gasmoleküle sammelt, in seine physikalische Beschreibung mit einbezieht“, sagt Physiker Viktor Holubec, der mit einem Humboldt-Stipendium an der Universität Leipzig forscht.

Die Forscher aus Leipzig und Princeton nutzten in ihren Experimenten die Information über den Abstand der Mikroschwimmer zueinander. Die Polymerkugeln reagierten auf diesen Abstand und organisierten sich allein dadurch zu einer Art Mikroschwimmer-Molekül. Diese Strukturen existieren nur, solange die Schwimmer sich aktiv bewegen. Sie weisen eine Dynamik auf, wie man sie von echten Molekülen kennt.

Aus ihren Modelluntersuchungen erhoffen sich Khadka, Holubec, Yang und Cichos neue Erkenntnisse über die Rolle von Informationen für das kollektive Verhalten von lebendigen Organismen. Die von den Forschern entwickelten Kontrollstrategien können außerdem mit Algorithmen des Maschinenlernens verknüpft werden, um intelligente Schwärme künstlicher Mikroschwimmer künftig nutzbringend einzusetzen, etwa zur Therapie von Krankheiten oder bei der Reinigung von Gewässern.

Originaltitel der Veröffentlichung in „Nature Communications“:
Publikation:
„Active Particles Bound by Information Flows“, DOI: 10.1038/s41467-018-06445-1

Prof. Dr. Frank Cichos
Peter-Debye-Institut für Physik der weichen Materie
Telefon: +49 341 97-32571
E-Mail: cichos@physik.uni-leipzig.de

https://www.nature.com/articles/s41467-018-06445-1