Das Geheimnis der Mikroschwimmer

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Chemische Fabrik Dr. Weigert GmbH & Co. KG

LP: Herr Dr. Heidenreich, Sie haben an der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) gemeinsam mit Forschern der Universität Cambridge ein theoretisches Modell entwickelt, mithilfe dessen sich das Fließverhalten von Bakterien berechnen lässt. Welche Gleichungen liegen hier zugrunde? Welche Simulationen haben Sie durchgeführt?

Heidenreich: Wir haben die Navier-Stokes Gleichung um eine Instabilität, die aus der Musterbildung bekannt ist, erweitert. Durch diese Instabilität beschreibt die Gleichung Strömungsmuster, auch wenn keine äußeren Kräfte vorherrschen. Durch direkte numerische Simulationen haben wir diese Gleichung für verschiedene Parameter gelöst und die Strömungsstrukturen mit den experimentellen Ergebnissen unserer Kollegen aus Cambridge in einer detaillierten Turbulenzanalyse verglichen. Zu unserer Überraschung stimmen die Ergebnisse sowohl in zwei als auch in drei Dimensionen quantitativ überein. Für die Experimente verwendeten wir Bacillus subtillis Bakterien. Diese sind stäbchenförmig und schwimmen je nach Sauerstoffkonzentration verschieden schnell. Zur numerischen Simulation haben wir einen Pseudo-Spektralalgorithmus mit Antialiasing eingesetzt, sodass die nichtlinearen partiellen Differentialgleichungen in ein System gewöhnlicher Differentialgleichungen überführt werden konnten. Dieses System ist mithilfe einer Operatorsplitting-Methode gelöst worden, sodass der lineare Anteil exakt integriert und der nichtlineare Anteil durch eine explizite Euler-Integration genähert wird. Das Strömungsfeld der Bakterien haben wir für jede Messung etwa eine Minute lang aufgezeichnet, während die dazugehörige Simulation auf dem Computercluster der PTB einige Tage benötigte.

LP: Welche praktischen Anwendungen werden Ihre Ergebnisse finden?

Heidenreich: Die besonderen Eigenschaften einer solchen Flüssigkeit lassen auf ein breites Spektrum von zukünftigen Anwendungen hoffen. Besonders hervorzuheben sind die Entwicklungen bei künstlichen Mikroschwimmern, die sich ebenfalls mit dem Modell simulieren lassen. Künstliche Mikroschwimmer sind z.B. Nanostäbchen, die chemisch so modifiziert wurden, dass sie von sich aus schwimmen können. Durch die Hinzugabe spezieller künstlicher oder auch ausgewählter natürlicher Mikroschwimmer könnten eines Tages die Eigenschaften einer Flüssigkeit maßgeschneidert werden. Weiteres Anwendungspotenzial sehe ich vor allem in der Medizintechnik. Möchte man z.B. eine Flüssigkeit aus Mikroschwimmern für den gezielten Medikamententransport einsetzen, dann wäre es möglich, die Strömungseigenschaften vorab zu simulieren und zu optimieren.

Vielen Dank für das Gespräch Herr Dr. Heidenreich.

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Zur Person: Dr. Sebastian Heidenreich

6/1998 bis 6/2004 Studium der Physik an der Humboldt Universität zu Berlin und der TU Berlin, Diplomarbeit in theoretischer Physik über Fermionen in der Allgemeinen Relativitätstheorie an der TU Berlin; 7/2004 bis 6/2009 Assistent am Institut für theoretische Physik; Promotion bei Prof. Dr. Siegfried Hess über die Strömungseigenschaften anisotroper Fluide; abgeschlossen 12/2008 mit summa cum laude an der TU Berlin; 7/2009 bis 6/2011 Postdoc-Aufenthalte an der University of Oxford bei Prof. Julia Yeomans (aktive Fluide) und am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (Ionosphärenphysik); Seit 7/2011 bei der Physikalisch Technischen Bundesanstalt auf dem Gebiet der aktiven Fluide und der Scatterometrie tätig.

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