Forschung & Entwicklung

Mikroschwimmer speichert Licht

Ein biokompatibler Mikroschwimmer, der einer kleinen Solarzelle mit integrierter Batterie ähnelt, kann die Energie des Lichts speichern und damit auch ohne Beleuchtung vorankommen.

Mit externer Energie angetriebene Mikroschwimmer bieten zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise in der Biomedizin oder Umwelttechnik. Eine Zukunftsvision ist, dass sie Medikamente an schwer zugängliche Stellen des Körpers transportieren oder eines Tages Umweltschäden beheben, zum Beispiel, indem sie zur Abwasseraufbereitung eingesetzt werden.

Solche Mikroschwimmer benötigen jedoch eine kontinuierliche Energiezufuhr; andernfalls ist der Antrieb schwierig, wenn nicht gar unmöglich. Ein Mikroschwimmer, der externe Energie speichern kann, wäre ideal in Situationen, in denen Energie nur für eine begrenzte Zeit zur Verfügung gestellt werden kann oder in der Mikroschwimmer tief im Inneren eines Körpers aktiv werden sollen. In den vergangenen Jahren gab es zahlreiche Publikationen, die verschiedene Versionen lichtbetriebener Mikroschwimmer – genannt Fotoschwimmer – vorstellten. Ein Manko aber gibt es: Wenn das Licht ausgeht, stehen bisherige fotokatalytische Schwimmer still. Ein interdisziplinäres Team von Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) und des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung (MPI-FKF) in Stuttgart entwickelte nun einen Typ von Mikroschwimmern, der kurz beleuchtet wird, diese Energie speichert und während des Betriebs im Dunkeln aus der gespeicherten Energie schöpfen kann – ähnlich einer Solarzelle, die Energie für einen späteren Zeitpunkt speichert. Das Team entwickelte den Mikroschwimmer aus einem neuartigen 2-D-Kohlenstoffnitrid. Sie zeigten, dass sie das Teilchen in einer Flüssigkeit sowohl mit sichtbarem als auch mit ultraviolettem (UV) Licht vorwärtsbewegen können. Einer klitzekleinen Solarzelle ähnelnd schwamm es mit der gespeicherten Energie weiter, auch wenn das Licht ausging. 30 Sekunden Beleuchtung reichten, und der Schwimmer konnte etwa eine halbe Stunde lang von der Energie zehren und weiter vorwärtskommen.

Technologie

Als Grundlage des nur etwa 3 µm großen Schwimmers verwendete das Team kaliumhaltiges Poly(hepazinimid), K-PHI – ein aus vielen aneinandergelagerten Schichten bestehendes 2-D-Kohlenstoffnitrid, das über hervorragende fotokatalytische Eigenschaften verfügt, da es Licht gut absorbiert und umwandelt. Wird es beleuchtet, kommt es zur Bildung von Elektronen und Löchern, die auf der Oberfläche des Kohlenstoffnitrids eine Fotoreaktion auslösen können, oder aber die auf PHI-stabilisierten Elektronen werden direkt gespeichert, um so Ladung wie in einer Solarbatterie zu akkumulieren. Die gespeicherte Energie wird dann erst später für den Antrieb des Schwimmers verwendet.

„Während das Kohlenstoffnitrid Licht absorbiert, erzeugt es energiereiche Elektronen, die durch Redoxreaktionen mit ihrer Umgebung entladen werden können. Früher glaubte man, dass die Wasserstoffentwicklung den Antrieb auslöst, da Wasser in Wasserstoff und Sauerstoff aufgespalten werden kann. Dies war jedoch nicht der Fall. Wir fanden heraus, dass die Elektronen den Sauerstoff reduzieren und der Antriebsmechanismus komplexer ist“, sagt Filip Podjaski, Wissenschaftler in der Abteilung für Nanochemie am MPI-FKF.

Platin macht das Rennen

Das Team entwickelte drei Versionen der Mikroschwimmer, bei denen eine dünne Schicht verschiedener Metalle auf einer Seite des PHI aufgedampft wurde: Ein Typ war teilweise mit Gold (Au), einer mit Platin (Pt) und ein dritter mit Siliziumdioxid (SiO2) bedeckt. Die Forscher untersuchten jede Mikroschwimmergruppe einzeln. In mehreren Experimenten zeigten sie, wie sie die Schwimmer sowohl unter sichtbarem Licht als auch unter UV-Beleuchtung vorwärts bewegen konnten – unabhängig davon, ob sie in reinem Wasser, unter Zugabe von Alkoholen oder H2O2 schwammen. Die Wissenschaftler beobachteten, dass platinbeschichtete Mikroschwimmer am schnellsten in Wasser und mit Alkohol als zusätzlichem Treibstoff schwammen, während die goldbeschichteten, gefolgt von siliziumdioxidbeschichteten, den schnellsten Vortrieb mit H2O2 als Treibstoff zeigten.

Das Forschungsprojekt verdeutlicht, dass es möglich ist, von der Natur inspirierte, organische Mikroschwimmer zu bauen. Noch nie zuvor wurde ein PHI-basiertes Kohlenstoffnitrid als Hauptbaumaterial für solch schwimmende Mikromaschinen eingesetzt. Sie werden damit dem Anspruch gerecht, biokompatibel und kostengünstig zu sein, da Kohlenstoffnitride leicht aus reichlich vorhandenen Rohstoffen herstellbar sind. Dies macht PHI-basierte Mikroschwimmer für zukünftige medizinische Anwendungen und in der Umweltsanierung besonders vielversprechend. Der Solarbatterieeffekt eröffnet zudem viele neue Möglichkeiten in Situationen, in denen Mikromaschinen ohne kontinuierliche Energiezufuhr auskommen müssen und wo biologisch unbedenkliche Materialien benötigt werden. Nicht zuletzt eröffnet der Aufladungseffekt die Möglichkeit, ohne großen Materialaufwand autonome Systeme mit eingebauter Energiespeicherfähigkeit zu erschaffen – wie eine Batterie, nur tausendmal kleiner.

von mg

Originalpublikation:

[V. Sridhar, F. Podjaski, J. Kröger, A. Jiménez-Solano, B.-W. Park, B. V. Lotsch, M. Sitti, Carbon nitride-based light-driven microswimmers with intrinsic photocharging ability, Proceedings of the National Academy of Sciences (2020), DOI: 10.1073/pnas.2007362117]

www.is.mpg.de

www.fkf.mpg.de

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