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Künstliche Nanoschwimmer Haarige Goldpartikel bilden einen Schwarm

| Autor/ Redakteur: Dr. Karin J. Schmitz* / Christian Lüttmann

Bakterien gehen aktiv auf Nahrungssuche – und bilden dazu manchmal Schwärme aus. Ein chinesisches Forscherteam hat nun Gold-Nanopartikel hergestellt, die sich wie Bakterien spontan zu Schwärmen zusammengeschlossen und gezielt als Kollektiv fortbewegt haben. Mit diesen künstlichen Nanoschwimmern könnte das Schwarmverhalten im Mikrokosmos besser untersucht werden.

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Forscher haben kollektives chemotaktisches Verhalten an künstlichen Gold-Nanokugeln nachgeahmt.
Forscher haben kollektives chemotaktisches Verhalten an künstlichen Gold-Nanokugeln nachgeahmt.
(Bild: Wiley-VCH)

Frankfurt am Main – Schwärme sind ein verbreitetes Naturphänomen: Ob Heuschrecken, Sardinen oder Vögel – sie alle nutzen den Zusammenschluss viele Individuen zu einem „Superorganismus“. Wie solche Schwärme entstehen und wie deren aktive, kollektive Bewegung für die künstliche Intelligenz umgesetzt werden kann, ist derzeit Gegenstand intensiver Forschung.

Schwärme im Mikrokosmos

Auch im Mikrokosmos findet sich das Phänomen der Schwarmbildung. Bakterien können sich nicht nur aktiv in Richtung einer Nahrungsquelle bewegen (chemotaktisches Verhalten), sie sind zudem in der Lage, sich zu Kollektiven zu vereinigen und koordiniert als Schwarm zu bewegen.

Dicht gedrängt erleben schwimmende Bakterien die umgebende Flüssigkeit anders als wenn sie alleine unterwegs sind. Aber ob und wie stark die veränderte Wechselwirkung mit der Umgebung die Geschwindigkeit der Mikroben beeinflusst und welche Effekte noch wirken, ist unklar.

Der Kolloidchemiker Qiang He am chinesischen Harbin Institute of Technology und seine Kollegen haben nun ein einfaches Modell für bakterienähnliche Nanoschwimmer hergestellt. Die künstlichen Schwimmer zeigten nicht nur chemotaktisches Verhalten, sondern zogen sich auch zu einem koordiniert agierenden Schwarm zusammen.

Haarige Goldkügelchen

He und seine Kollegen bauten die Nanoschwimmer aus winzigen Goldkügelchen. Mit dem Mikroskop waren die Kügelchen allerdings nicht zu beobachten: Sie waren 40-mal kleiner als Bakterien. Dank des Tyndall-Effekts – der Streuung von Licht in kolloidalen Lösungen –konnten die Wissenschaftler jedoch Veränderungen in der Lösung sogar mit bloßem Auge sehen. Andere Analysetechniken lösten auch Geschwindigkeit, Ausrichtung und Konzentration der einzelnen Schwimmer genau auf.

Nanokugeln aus Gold sind in der wissenschaftlichen Forschung sehr beliebt. Sie bilden stabile, disperse Lösungen, sind im Elektronenmikroskop gut sichtbar, und sie lassen sich leicht an andere Moleküle anketten. He und sein Team bestückten zunächst die Oberfläche von deutlich größeren Kugeln aus Siliziumdioxid mit den Gold-Nanokugeln. Dann befestigten sie auf der freiliegenden Seite der Gold-Nanokugeln feine Bürsten aus einem Polymer. Durch die bis zu 80 Nanometer langen Kohlenwasserstoffketten verloren die Goldkugeln ihre Symmetrie: Man stelle sich vor, dass an einer Seite einer Kugel dicke, lange Haare oder eben Polymerbürsten kleben.

Glucose als Kraftstoff

Die Wissenschaftler lösten dann die große Siliziumdioxidkugel auf und befestigten auf der nun freiliegenden Seite der Gold-Nanokugeln ein Enzym. Dadurch waren die Gold-Nanokugeln auf der einen Seite mit den langen, dicken Polymerbürsten und auf der anderen mit dem Enzym belegt. Dieses Enzym mit dem Namen Glucoseoxidase setzt Traubenzucker (Glucose) zu Gluconsäure um, was die Schwimmer mit Glucose als Kraftstoff antreiben sollte: Je mehr Glucose vorhanden ist, desto schneller werden die Schwimmer.

Spontane Schwarmbildung

Die Forscher wollten herausfinden, ob sich die Nanoschwimmer aktiv in eine bestimmte Richtung bewegen würden. Hierfür platzierten sie die modifizierten Goldkugeln an das Ende eines kleinen Kanals. Am anderen Ende deponierten sie ein Gel, das kontinuierlich Glucose abgab.

Die Modellschwimmer wanderten aktiv zur Glucosequelle, wie von den Forschern erwartet – Künstliche, enzymatisch angetriebene Schwimmer sind aus Experiment und Theorie bereits bekannt. Aber die Enzym-motorisierten Schwimmer mit Polymerbürstenbelegung zogen sich sogar zu einer eigenen Phase zusammen und bewegten sich koordiniert im Kollektiv. Sie bildeten sozusagen einen Schwarm. Das kann für künstliche Systeme nicht erwartet werden.

Die Nanoschwimmer können leicht hergestellt werden und sind gut zu beobachten. Nach Vorstellung der Autoren könnten sie sich als Modell eignen, um chemotaktisches kollektives Verhalten von lebenden und künstlichen Systemen auf der Nanoskala zu studieren.

Originalpublikation: Yuxing Ji, Dr. Xiankun Lin, Dr. Zhiguang Wu, Dr. Yingjie Wu, Prof. Wei Gao, Prof. Qiang He: Macroscale Chemotaxis from a Swarm of Bacteria‐Mimicking Nanoswimmers, Angewandte Chemie (2019); DOI: 10.1002/ange.201907733

* Dr. K. J. Schmitz: GDCh - Gesellschaft Deutscher Chemiker,60486 Frankfurt am Main

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