Schwarmbildung ohne Intelligenz – wenn sich Nanoteilchen gegenseitig jagen

Silberchloridpartikel verhalten sich unter UV-Licht wie lebende Einzeller – Neues Prinzip für autarke Nanomaschinen

Schwärme aus Silberchlorid-Teilchen
Schwärme aus Silberchlorid-Teilchen

University Park (USA) - Bienen, Zugvögel, Fische und Einzeller beherrschen die Kunst, sich in Schwärmen zu organisieren. Doch auch unbelebte Nanopartikel könnten sich völlig selbstständig zu intelligenten Nanobot-Maschinen zusammensetzen und komplexe Aufgaben lösen. In diese Zukunft blicken zumindest Science-Fiction-Autoren oder Visionäre der Nanotechnologie. Zurück auf dem Boden der Tatsachen entdeckten nun amerikanische Chemiker tatsächlich, dass sich winzige Teilchen aus Silberchlorid ähnliche wie lebende Einzeller verhalten können. Dieses neue Prinzip auf dem Weg zu autarken Nanomaschinen präsentieren sie in der Fachzeitschrift "Angewandte Chemie".

"In der belebten, biologischen Welt ist ein kollektives Verhalten ganz natürlich", schreiben Michael Ibele und seine Kollegen von der Pennsylvania State University in University Park. In ihrem Labor klappte das auch erstmals mit Mikrometer kleinen Teilchen aus Silberchlorid. Diese schwammen in einer Schale mit deionisiertem Wasser. Bestrahlt mit ultraviolettem Licht zersetzten sie sich teilweise und setzten dabei Ionen frei. Diese Ionen trieben die Partikel nicht nur an, sondern lockten auch benachbarte Teilchen an. Sie wirkten ähnlich wie organische Signalstoffe, mit denen in der Natur lebende Zellen mit ihren Artgenossen kommunizieren. In den ersten Versuchen organisierten sich die Mikropartikel binnen weniger Minuten völlig selbstständig zu kleinen Schwärmen. Auch "artfremde" Teilchen aus Siliziumoxid folgten diesen Ionensignalen.

Die Grundlage hierfür ist ein Phänomen namens Diffusiophorese. Dadurch schwammen die Silberchloridteilchen immer in Richtung der höheren Ionenkonzentration. Wegen Ungleichmäßigkeiten der Partikeloberfläche sowie einer ungleichmäßigen UV-Bestrahlung verlief die Zersetzungsreaktion der Partikel asymmetrisch. Es wurden nicht an jeder Stelle gleich viel Ionen freigesetzt, so dass ein lokaler Ionengradient um das Teilchen entstand. Das Teilchen verursachte damit seinen eigenen Ionengradienten, der es auf Geschwindigkeiten bis zu 100 Mikrometern pro Sekunde beschleunigte. Benachbarte Silberchloridpartikel folgten dem Ionengradienten in der Lösung und schwammen in Regionen mit höherer Partikeldichte.

"Dieses Jäger-Beute-Verhalten der Mikropartikel zeigt, dass sie sich ganz eigenständig räumlich organisieren können", erklären Ibele und Kollegen. Da die Ionen nicht nur zur Schwarmbildung, sondern auch als Antrieb dienen, sehen die Forscher viele Anwendungen. So könnten solche autarken Systeme zum Nachweis von chemischen Substanzen und für den Transport von Arzneien im Körper genutzt werden. Weiter in der Zukunft liegen dagegen Techniken, mit denen sich Mikro- und Nanopartikel über das Schwarmverhalten im Team arbeiten oder sich völlig selbstständig zu funktionellen Maschinen zusammensetzen könnten.