Wie Haarlocken verdrillen sich winzige Kunststoffborsten selbständig zu symmetrischen Wirbeln und können kontrolliert Nanoteilchen festhalten

Nanospiralen

Cambridge (USA) - Von der Milchstraße bis zum DNA-Strang neigt die Natur zur Bildung von Wirbeln. In der Nanotechnologie können verdrillte Strukturen die Kontrolle über die winzigen Partikel erleichtern. Mit filigranen Wäldern aus mikroskopisch kleinen Kunststofffasern bauten Forscher an der Harvard University in Cambridge nun steuerbare Greifer für Nanopartikel. Wie sie in der Zeitschrift "Science" berichten, können sich die Fasern beim Verdunsten einer umgebenden Flüssigkeit wie Finger um winzige Teilchen schließen und diese festhalten.

Verantwortlich dafür ist das gleiche Phänomen, durch welches sich nasse Haare beim Trocknen zu stabilen Locken anordnen können. "Die Dynamik der Strukturen sind ein Ergebnis aus dem Zusammenspiel der Elastizität der Borsten und den Adhäsionskräften zwischen ihnen", erklären Joanna Aizenberg und ihre Kollegen vom Wyss Institute der Harvard University. Für ihre verdrillten Nanogreifer deponierten die Wissenschaftler auf einer sauberen Oberfläche zahlreiche nur vier bis neun Mikrometer lange und 300 Nanometer dünne Borsten aus einem Epoxid-Polymer. Umgeben von einer Flüssigkeit, beispielsweise Aceton oder Alkohol-Wasser-Mischungen, standen die Borsten senkrecht ohne direkten Kontakt untereinander. Ließen die Wissenschaftler die Flüssigkeit jedoch verdunsten, lagerten sich die Fasern wie Haarlocken zu verdrillten Strukturen zusammen.

Mit theoretischen Modellen analysierte das Forscherteam das Zusammenspiel aus Oberflächenspannung, Elastizität der Borsten und den schwachen Kapillar- und Haftkräften zwischen den Fasern. So fanden sie die optimalen Längen und Abstände der Borsten, um sich zuverlässig und völlig selbständig zu den Wirbeln zu verdrillen. Diese Strukturen lassen sich sogar durch ein erneutes Befeuchten und über die Kontrolle des pH-Wertes der Flüssigkeit wieder auflösen. Daher taugen die Borsten für das steuerbare Fixieren von winzigen Partikeln. Zudem sind die Forscher davon überzeugt, dass mit solchen Kunststofffasern in Zukunft sehr vielseitige Lab-On-Chip-Systeme entwickelt werden könnten.