Einzelne und kollektive Bewegungen künstlicher Mikroschwimmer
In biologischen Systemen bilden einfache Einzeller durch dynamische Assemblierung und Schwarmverhalten komplexe Strukturen. Klassische Beispiele hierfür sind Bakterien, Biofilmbildung oder die paarweise Anordnung von DNA-Strängen. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts S.O.F.T. (Swimmers: one, few, thousands) erzeugten Forscher biomimetische künstliche Mikroschwimmer, u.a. künstliche Geißeln, die durch äußere Magnetfelder, chemische Reaktionen oder ausgestoßene Nanobläschen bewegt werden. Die Forscher untersuchten im Detail einen künstlichen Mikroschwimmer, der sich durch Ausstoß von Tröpfchen selbst antreibt (Marangoni-Effekt auf Basis von Oberflächenspannungsgradienten). Sie entwickelten ein flexibles numerisches Modell, das für jede Art Mikroschwimmer mithilfe der Level-Set-Methode angepasst werden kann und die Antriebsmechanik enthüllt. Die Wissenschaftler von S.O.F.T. ermittelten das Geschwindigkeitsfeld inner- und außerhalb einzelner Tröpfchen für verschiedene Tröpfchengrößen und Tensidkonzentrationen. Interessant war vor allem die Reproduktion des typischen chemotaktischen Verhaltens, das sowohl bei künstlichen als auch biologischen Mikroschwimmern (Bakterien) zu beobachten ist. Schwerpunkt der Forschungen war Shewanella oneidensis, ein Bakterium, dessen Potenzial für eine umweltfreundliche Energieproduktion (Biokraftstoffe, Mikrobatterien und Erzeugung von Wasserstoffgas) noch nicht erschlossen ist. Eine wesentliche Hürde ist bislang, dass es mehrere Tage braucht, um einen Biofilm herzustellen. Um die chemotaktische Biofilmbildung zu beschleunigen, untersuchten die Forscher, wie sich Sheellaa in der Nähe von Luftblasen verhält. Sie entwickelten ein numerisches Modell und beobachteten die Verteilung von Shewanella in Abhängigkeit von der zeitabhängigen Blasengröße und anfänglichen Bakterienkonzentration. Die Modellergebnisse entsprachen den experimentellen Ergebnissen, sodass eine parametrische Studie möglich war, bei der ein akustisch erzeugter Druck auf die Blase ausgeübt wurde. Damit konnte die chemotaktische Biofilmbildung auf wenige Minuten reduziert werden. Die Studienergebnisse sind für viele Anwendungen relevant, etwa für modernste Mikroroboter, Erzeugung von Biotreibstoff, Güterverkehr, kontrollierte Wirkstofffreisetzung sowie medizinische Diagnostik.
