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Mikroschwimmer mit Speicher für Sonnenenergie Partikel mit Platinhut schwimmen auch im Dunkeln

| Redakteur: Christian Lüttmann

Mikroschwimmer sind winzige Partikel, die sich aktiv fortbewegen. Künstliche Mikroschwimmer nutzen oft Licht zum Antrieb. Nun haben Forscher an der Ludwig-Maximilians-Universität München Partikel mit einer „Mütze“ aus Platin entwickelt, die Lichtenergie gut speichern und damit auch eine Zeit im Dunkeln schwimmen können. Dies macht sie als Wirkstoffträger in der Medizin besonders interessant.

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Künstlerische Darstellung eines Mikroschwimmers
Künstlerische Darstellung eines Mikroschwimmers
(Bild: e-conversion / V. Hiendl)

München – Von Spermien über Bakterien bis hin zu künstlichen, sich fortbewegenden Partikeln – sie alle sind Mikroschwimmer, also alle aktiv schwimmende, wenige Mikrometer große Teilchen. Entsprechend vielfältig sind ihre Antriebsarten und Energiequellen. Ein prominentes Beispiel sind Partikel aus Halbleitermaterialien. Sie bewegen sich dank chemischer Reaktionen mit ihrer Umgebung, gewinnen ihre Energie dabei durch die Absorption von Licht. Im Dunkeln war daher bislang Schluss mit der Fortbewegung. Ein Team vom Exzellenzcluster e-conversion unter der Leitung von Chemie-Professorin Bettina Lotsch an der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) hat die Partikel jetzt mit einer neuen Ladefunktion ausgestattet, die sie auch ohne Licht weiterschwimmen lässt.

Diese Fähigkeit macht sie für den Wirkstofftransport interessant. Hier bringen kleinste Partikel Wirkstoffe gezielt an ihren Einsatzort wie Gewebe im menschlichen Körper. Die neuen Mikroschwimmer bringen dafür beste Voraussetzungen mit. Sie bewegen sich dank des internen Ladespeichers bis zu 30 Minuten ohne zusätzliche externe Energiequelle. Zusätzlich können die aus weitgehend biokompatiblen Materialien bestehenden Partikel aufgrund ihrer porösen organischen Struktur auch mit Wirkstoffen beladen werden. Ebenfalls denkbar wäre ihr Einsatz in der Umwelttechnik zur autonomen Aufbereitung von Abwasser.

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Sonnenbatterie aus nachwachsenden Rohstoffen

Das Geheimnis des Antriebs und der Energiespeicherung liegt zum einen in den ungewöhnlichen Speichereigenschaften des Halbleitermaterials, zum anderen haben die Mikroschwimmer zwei unterschiedliche Seiten, die maßgeschneidert zusammenarbeiten. Die eine Seite besteht aus dem auf Kohlenstoff basierenden Halbleitermaterial Poly-Heptazin-Imid – PHI.

„Es ist das erste ‚nachhaltige Sonnenbatterie-Material’, das die Funktionen von Solarzelle und Batterie koppelt“, sagt der LMU-Chemiker Filip Podjaski. „Man kann es günstig und in großen Mengen aus nachwachsenden Rohstoffen und sogar aus Urin herstellen. Und es ist erstaunlich robust und vielseitig einsetzbar.“ Die zweite Hälfte der PHI-Kugel ist mit Platin oder auch Gold überzogen. Diese Metalle sind gezielt gewählte Katalysatoren, die sich durch Oberflächenreaktionen effiziente an die Umgebung ankoppeln und so den Vortrieb stark beeinflussen.

Metall-Mützen bringen Mikroschwimmer in Schwung

Im Englischen sprechen die Fachleute von caps, also von einer Art Kugeln, die eine Mütze tragen. Während die Halbleiter-Hälfte Sonnenenergie tankt und angeregte Elektronen und Elektronenlöcher erzeugt, hilft die Metall-Mütze bei der Ladungstrennung.

Wie funktioniert jetzt aber das Schwimmen und Speichern? Im Regelfall reagieren die Elektronen und die Elektronenlöcher mit dem umgebenden Wasser oder mit hinzugefügten Treibstoffen wie Alkoholen oder Wasserstoffperoxid. Durch die zweigeteilte Struktur der Kugeln mit Mütze laufen diese Oberflächenreaktionen unsymmetrisch ab, auf einer Seite stärker, auf einer schwächer. Die dabei erzeugten Konzentrationsunterschiede der Produkte sind letztendlich für den Vortrieb verantwortlich.

Ladezeit schlägt jedes Elektroauto

Schon unter Beleuchtung in Wasser bewegen sich die Testpartikel vergleichsweise schnell, die Zugabe von Alkohol hat aber einen klar anregenden Effekt auf alle untersuchten Partikelformen. Anders sieht es in 0,5% Wasserstoffperoxid aus. Während mit Gold überzogene Partikel hier eine sehr hohe Aktivität aufweisen, bewegen sich die Mikroschwimmer mit Platin relativ langsam. Was wie ein Nachteil klingt, ist aber tatsächlich der Grund für die gute Speicherfähigkeit. Die langsame Geschwindigkeit der Partikel liegt daran, dass Platin als exzellenter Elektrokatalysator das Wasserstoffperoxid mit einer ähnlich hohen Rate umsetzt wie das Halbleitermaterial PHI aus der anderen Partikelseite. Es fehlt daher der Konzentrationsunterschied, der die Mikroschwimmer sonst antreibt.

Die hohe Umsetzungsrate von Platin und dem organischen Halbleiter sorgen allerdings auch dafür, dass ein Überschuss an angeregten Elektronen entsteht, die stabilisiert und somit gespeichert werden können. Normalerweise würden viele frisch angeregte Elektronen sofort mit ihrer Umgebung reagieren und für die Speicherung somit verlorengehen. Bei den Partikeln mit Platinmützen erreicht man dank der hohen Aktivität der Reaktionen ein Verhältnis von Ladezeit zu Bewegungsdauer, das für Standard-Elektroautos traumhaft wäre: 30 Sekunden Sonnenbaden reichen für bis zu 30 Minuten Schwimmen im Dunkeln.

Wirkstofftransport in medizinischen Anwendungen möglich

Eine Anwendung der mützentragenden Partikel in menschlichem Gewebe scheint durch die verwendeten Lösungsmittel Alkohol und Wasserstoffperoxid auf den ersten Blick ausgeschlossen. LMU-Professorin Lotsch und ihr Team sind jedoch schon einen Schritt weiter. „Im Körper gibt es auch andere Stoffe, die ein Schwimmen und Aufladen erlauben“, sagt sie. „Wir untersuchen aktuell die entsprechenden Möglichkeiten der organischen Mikroschwimmer und erste Ergebnisse zeigen, dass Schwimmen, Aufladen und sogar der Transport von Wirkstoffen unter physiologischen Bedingungen machbar sind.“

Originalpublikation: Varun Sridhar, Filip Podjaski, Julia Kröger, Alberto Jiménez-Solano, Byung-Wook Park, Bettina V. Lotsch and Metin Sitti: Carbon nitride-based light-driven microswimmers with intrinsic photocharging ability, PNAS first published September 21, 2020; DOI: 10.1073/pnas.2007362117

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