Polarisiertes Licht formt Nanopartikel – und setzt Flüssigkeiten in Bewegung
Einem internationalen Forschungsteam unter Beteiligung der Arbeitsgruppe von Jun.-Prof. Marcel Rey vom Institut für Physikalische Chemie der Universität Münster ist es gelungen, eine neue Methode zu entwickeln, um Flüssigkeiten an Grenzflächen gezielt zu bewegen – allein durch die lichtinduzierte Formänderung winziger Partikel. Die in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlichte Studie zeigt, wie sich kleinste Teilchen ausschließlich mithilfe von Licht präzise verformen, bewegen und anordnen lassen. Neben der Arbeitsgruppe von Jun.-Prof. Marcel Rey waren Forschende der Norwegian University of Science and Technology, der University of Gothenburg und der Politecnico di Torino an der interdisziplinären Zusammenarbeit beteiligt.
Im Zentrum der Arbeit stehen kolloidale Polymerpartikel, also mikroskopisch kleine Kunststoffkügelchen mit Durchmessern zwischen etwa 100 Nanometern und wenigen Mikrometern. Diese Partikel besitzen eine besondere Eigenschaft: Ihre Form ist nicht fest, sondern lässt sich durch Licht gezielt verändern. Wird das System mit polarisiertem Licht bestrahlt, beginnen sich die Partikel zu verformen – sie strecken sich, flachen ab oder werden elliptisch, abhängig von der Polarisation des Lichts.
Diese scheinbar kleine Formänderung hat große Folgen. An einer Wasser-Luft-Grenzfläche verformen die Partikel beim Umschalten ihrer Geometrie die Oberfläche der Flüssigkeit. Dadurch entstehen gerichtete kapillare Kräfte und erzeugen eine Sogwirkung die benachbarte Partikel mitzieht und gemeinsam in Bewegung setzt. Erst im Zusammenspiel vieler sich gleichzeitig deformierender Partikel bildet sich eine kollektive Dynamik, die schließlich zu stabilen, mikroskopischen Strömungen führt.
„Man kann sich das wie ein Feld aus winzigen, lichtgesteuerten Aktuatoren vorstellen“, erklärt Jun.-Prof. Marcel Rey. „Die Partikel wirken nicht als passive Marker, sondern als aktive Bausteine, deren Form bestimmt, wie sie mit der Grenzfläche und miteinander wechselwirken.“
Besonders präzise lässt sich die Fließrichtung über die Polarisation des Lichts steuern. Während die Lichtintensität konstant bleibt, legt die Schwingungsrichtung des Lichts fest, in welche Richtung sich die Partikel bevorzugt verformen – und damit auch, wohin sich die Strömung ausbildet. Auf diese Weise lassen sich nicht nur einfache Transportbewegungen, sondern auch komplexe Strömungsmuster gezielt ein- und ausschalten.
Im Gegensatz zu klassischen mikrofluidischen Ansätzen sind dafür keine festen Kanäle, Pumpen oder beweglichen Bauteile erforderlich. Die Strömung entsteht ausschließlich durch die Formänderung der Partikel unter Lichteinfluss – ein Prinzip, das sich besonders gut in optische Systeme wie Mikroskope integrieren lässt.
Der von Jun.-Prof. Marcel Rey mitentwickelte Ansatz bietet erhebliches Anwendungspotenzial. Perspektivisch ermöglicht er, lichtinduzierte Partikelverformung und gezielte Anordnung an Grenzflächen zu kombinieren, um Objekte berührungslos zu bewegen und auszurichten. Besonders vielversprechend ist die kontrollierte Organisation anisotroper, also ungleichmäßig geformter, Partikel zu geordneten Strukturen mithilfe gezielt erzeugter Strömungsmuster. Langfristig eröffnen sich so neue Wege zur Nanostrukturierung funktionaler Oberflächen, etwa für Solarzellen, in denen Ausrichtung und Geometrie nanoskaliger Strukturen die Streuung und Wechselwirkung von Licht gezielt beeinflussen und die Effizienz erhöhen können.