Luftbläschen treiben Mikromotoren an

Georgia (USA) – Janusteilchen sind kleine Nanokugeln, deren Oberfläche aus zwei verschiedenen Materialien besteht. Die asymmetrische Struktur ruft interessante Eigenschaften hervor – so können sich einige dieser Teilchen in bestimmten Flüssigkeiten selbst antreiben. Forscher vermuteten schon längere Zeit einen Zusammenhang zwischen dieser Bewegung und Sauerstoffbläschen, die durch chemische Reaktionen an der Kugeloberfläche entstehen. Einem Team um den Physiker Manoj Manjare von der Georgia University in Athens ist es nun gelungen, den Bläschenantrieb theoretisch zu beschreiben und mit schnellen Kameras direkt zu beobachten.

Die Forscher untersuchten Kugeln mit Durchmessern von zwei bis fünfzig Mikrometern, die zur Hälfte mit Platin und zur Hälfte mit Titan beschichtet waren. Platin wirkt in einer Wasserstoffperoxidlösung als Katalysator. Bei der chemischen Reaktion entsteht neben Sauerstoff und Wasser auch chemische Energie, die letztlich in Bewegungsenergie der Nanoteilchen umgewandelt wird. Hierbei konkurrieren zwei entgegengesetzte Effekte, wie die Wissenschaftler nun erstmals per Kamera verfolgen konnten: Wächst eine Luftblase an der Platinhälfte, wird die Kugel vom Zentrum der Blase weggedrückt. Platzt die Blase, fällt der Druck schlagartig ab und das Nanoteilchen wird mit einer Geschwindigkeit von 14 Zentimetern pro Sekunde zurück in Richtung der Platinseite gesaugt. Die Kugel bewegt sich also hin und her, doch die resultierende Kraft wirkt „nach vorne“, in Richtung der Titanseite. Aus der Januskugel ist ein Mikromotor geworden, wie die Wissenschaftler um Manjare in der Zeitschrift „Physical Review Letters“ berichten.

In der theoretischen Beschreibung berücksichtigen die Physiker sowohl den Reibungswiderstand der Lösung als auch das Wachstum der Blasen und den Druckabfall beim Platzen. Sie hoffen, dass dieses Modell künftig als Grundlage für weitere bläschenangetriebene Mikromotoren dienen kann.