Gefüllte Mikrokugeln mit Licht gesteuert

Winzige Kugeln mit einer Hülle aus Ruß eignen sich als vielseitige Transporter für kontrollierte chemische Reaktionen. Gefüllt mit flüssigen Arzneien oder Chemikalien könnten sie in Zukunft in der Medizin oder der chemischen Industrie genutzt werden. Wie Forscher nun in der Fachzeitschrift „Advanced Functional Materials“ berichten, reichten kurze Laserpulse aus, um die Kugeln einige Zentimeter pro Sekunde über eine Wasseroberfläche zu treiben. Mit stärkeren Laserpulsen ließen sie sich zum Platzen bringen, um ihre Fracht an einer gewünschten Position zu entladen.

„Unsere Mikrokugeln, flüssige Murmeln genannt, können mit einem Infrarotlaser kontrolliert über eine Wasseroberfläche bewegt werden“, erklären Syujii Fujii vom Osaka Institute of Technology und seine Kollegen vom Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz. Als Hüllmaterial griffen die Forscher zu zwei pulvrigen Substanzen: Ruß und dem Polymer Polypyrrol. Sie setzten einen Wassertropfen auf das jeweilige Pulver und ließen ihn etwas hin- und herrollen. Sofort bildete sich um den Tropfen eine hauchdünne und dennoch wasserdichte Schicht. Stabilisiert wurden diese flüssigen Murmeln mit bis zu drei Millimetern Durchmesser durch die gleichmäßig wirkenden abstoßenden Kräfte zwischen Wasser und Pulver.

Diese Murmeln schwammen dank der Oberflächenspannung auf einer Wasserschicht. Wurden sie nun von einer Seite mit kurzen Pulsen eines Infrarotlasers beleuchtet, heizte sich die Hülle aus Ruß oder Polypyrrol einseitig schnell auf bis zu tausend Grad Celsius auf. Direkt setzten sich die Kugeln in Bewegung und drifteten mit bis zu drei Zentimetern pro Sekunde in Richtung der unbeleuchteten Seite. Verantwortlich für diesen Effekt war ein Unterschied in der Oberflächenspannung des kühlen Wassers vor der Kugel im Vergleich zum leicht erwärmten Wasser auf der beleuchteten Kugelseite.

Um die kleinen Kugeln an einer gewünschten Stelle zum Platzen zu bringen, mussten sie nur senkrecht von oben etwas länger mit dem Infrarotlaser beleuchtet werden. Dadurch verdampfte das Hüllmaterial, die Kugel kollabierte und setzte ihre flüssige Fracht frei. In einem weiteren Versuch dockten die Forscher einen kleinen Schwimmkörper mit einem Gewicht von 390 Milligramm an zwei flüssige Murmeln an. Wieder mit Infrarotpulsen einseitig aufgeheizt war der Antrieb kraftvoll genug, um den Schwimmkörper ebenfalls mit bis zu drei Zentimetern pro Sekunde über das Wasser zu schieben.

Die ersten Versuche erfolgten nur mit Wasser als flüssiger Fracht. Doch man könnte auch medizinische Wirkstoffe oder andere Chemikalien in Wasser auflösen und mit Laserpulsen ferngesteuert über eine Flüssigkeit lenken. Die Forscher sind davon überzeugt, dass sich diese Transportmethode für kleine Flüssigkeitsmengen im medizinischen und chemischen Bereich einsetzen ließe.