Minimotor, von Bakterien angetrieben

Die zufällige Bewegung von Bakterien in Flüssigkeit versetzt winzige Ratschenscheiben in Drehung - ein Steuern der Bakterien ist nicht nötig

Bakterienmotor
Bakterienmotor

Rom (Italien) - Bakterien sind dickköpfig: Anders als leblose Moleküle, die von einer Wand zurückprallen, schieben sich schwimmende Mikroben eine kleine Weile in die ursprüngliche Richtung, bevor sie sich abwenden. Diesen Effekt machen sich italienische Physiker zu nutze, die auf diese Weise winzige Zahnräder in Bewegung versetzen. Dabei genügt das zufällige Herumwuseln der Bakterien und eine asymmetrische Form der Räder - ein gezieltes Beeinflussen wie bei früheren Experimenten, etwa durch Säuren oder Licht, ist nicht nötig, so die Forscher. Die nur Mikrometer kleine Technik könnte zu winzigen Maschinchen führen, die keine direkte Energieversorgung benötigen, sowie zu kleinsten Ventilen und Pumpen in winzigen Kanalstrukturen. Ganz eventuell ließe sich die Vorrichtung einst sogar als Stromerzeuger nutzen, schreiben die Forscher als Vorabveröffentlichung in der wissenschaftlichen Datenbank ArXiv.org.

"Sich selbst antreibende Bakterien sind ein Traum für die Nanotechnologie", schreiben Roberto Di Leonardo und seine Kollegen von der Università di Roma "La Sapienza". "Hier zeigen wir, dass asymmetrische Mikro-Zahnräder spontan rotieren können, wenn sie in ein aktives Bakterienbad getaucht sind." Das Team hatte mithilfe von Elektronenstrahl-Lithographie aus einem Polymer (SU8) Tausende von Zahnräder mit unregelmäßigen Zacken präpariert, ähnlich den Zähnen einer Säge, die eine schräge und eine senkrechte Kante zur Schnittfläche haben. Mit nur 48 Mikrometern Durchmesser und 10 Mikrometern Dicke nahmen sie etwa so viel Platz ein wie 20.000 Bakterien vom Typ Escherichia coli, mit denen sie in der Flüssigkeit in Kontakt kamen.

Die Forscher tauchten die Zahnräder in die Flüssigkeit, in der die Bakterien sich mithilfe ihrer fädigen Anhänge, so genannter Geißeln oder Flagellen, offenbar wahllos durcheinander bewegten. Dank eines Tropfens an der Unterseite einer Glasplatte hingen die Räder - über Kapillarkräfte - an der Luft-Flüssigkeit-Grenzfläche und konnten so freier rotieren, als wenn sie am Boden des Gefäßes größeren Adhäsions- oder Reibungskräften ausgesetzt gewesen wären. Im Film hielt Di Leonardos Team die Bewegung in der Flüssigkeit fest: Die Mikroben prallten bei ihrer an sich ziellosen Bewegung gegen die Seiten der Zahnrad-Zähne. Da sie beim Anstoßen zunächst weiter in die ursprüngliche Richtung schwammen, anders als Moleküle in Brownscher Bewegung, die einfach zurückprallen, übten sie einen kontinuierlichen Druck auf die Kanten aus. Die spezifische Form der Zähne führte dazu, dass insgesamt mehr Druck in Uhrzeigerrichtung wirkte und so die Zahnräder in diese Richtung um die eigene Achse drehte.

Rund eine Drehung pro Minute verzeichneten die Forscher und führten dies auf die Zahl und Anordnung der Bakterien an der Oberfläche zurück. Die Ergebnisse bestätigten die Vorhersagen einer Computersimulation, die sie im vorigen Jahr erstellt hatten. Die jetzt gemessene Leistung der Bakterien getriebenen Ratschenmotoren will das Team aber weiter verbessern, so Di Leonardo: Die lineare Geschwindigkeit der Zahnradkanten betrage schließlich nur rund 2,5 Mikrometer pro Sekunde, während E.coli sich mit rund 20 Mikrometern pro Sekunde vorwärts bewegt. Nun will das Team mit anderen Bakterientypen sowie mit veränderten Größen und Formen der Zahnräder experimentieren. Es schreibt bereits von der Vision einer komplett neuen Technologie, in der "passive Mikro-Vorrichtungen einfach durch Eintauchen in eine aktive Flüssigkeit in Gang gesetzt werden."