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Winzige Motoren: Science Fiction Ideen wahr werden lassen

Mikromotoren
Neue Konzepte für Motoren im winzigen Maßstab

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Damit Bewegungen von Mikro-Systemen in der Blutbahn möglich werden, sind neue Antriebskonzepte gefragt. Drei Beispiele zeigen, wie Forscher Magnetismus, Mikroelektronik und das Verdrillen von Fasern in ihren Dienst nehmen, um zu steuerbaren Lösungen zu kommen.

Gezielte Bewegungen im winzigsten Maßstab – diese Idee scheint Wissenschaftler wie Science-Fiction-Autoren immer wieder zu faszinieren. Inzwischen gibt es Erkenntnisse aus der Nano- und Mikrotechnologie, die solche Gedanken nicht mehr so abwegig erscheinen lassen. Sie sind nicht nur für medizinische Anwendungen wie in der Wirkstofffreisetzung vielversprechende Kandidaten, sondern auch für die Entwicklung kleiner Roboter oder flexibler integrierter Sensoren.

Konzepte für Motoren – kleiner als Mini

Den Weg für den Bau von Mikromotoren ebnen oder die Zielführung von Medikamenten im menschlichen Körper ermöglichen, das könnten Forschungsergebnisse, die Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Polymerforschung (MPI-P) in Mainz vorgelegt haben. Ihnen ist es gelungen, mit einer neu entwickelten Methode magnetische Mikropartikel herzustellen. Dafür nutzten sie Magnetfelder, die den Herstellungsprozess beeinflussen, aber auch eine Bewegung der Partikel ermöglichen.

Die magnetischen Eigenschaften eines Materials bestimmen, wie es auf ein Magnetfeld reagiert. Eisenoxid ist der Hauptbestandteil von Rost, aber auch – in einer anderen kristallinen Form – von Flachmagneten, die an vielen Kühlschränken zu finden sind. Diese beiden Formen von Eisenoxid weisen unterschiedliche magnetische Eigenschaften auf und reagieren auch anders auf das Vorhandensein eines Magnetfeldes.

Im Nanometerbereich – im Größenbereich von etwa 30 Millionstel Millimetern – kommt bei einer Größe, die der einer magnetischen Domäne entspricht, ein neuer Effekt ins Spiel: der Superparamagnetismus. Superparamagnetische Nanopartikel weisen nur in Gegenwart eines Magnetfeldes eine hohe Magnetisierung auf. Wird das magnetische Feld abgeschaltet, ist auch keine Magnetisierung der Partikel mehr feststellbar. Dieser reversible Effekt könnte in zukünftigen medizinischen Anwendungen genutzt werden, bei denen Medikamente nicht-invasiv im Blut zu einem bestimmten Ort geleitet werden müssen.

Nanopartikel zu Strukturen formen – eine Herausforderung

Wenn sich jedoch mehrere dieser Nanopartikel zu größeren Strukturen – so genannten Clustern – verbinden, verlieren sie ihre superparamagnetischen Eigenschaften. Darüber hinaus ist es eine technische Herausforderung, mit einem solchen Material beliebige Strukturformen herzustellen.

Um diese beiden Probleme zu lösen, haben Wissenschaftler aus zwei Gruppen zusammengearbeitet. Beteiligt waren Forscher aus dem Arbeitskreis von Prof. Hans-Jürgen Butt, die an wasserabweisenden Oberflächen arbeiten, sowie Dr. Héloïse Thérien-Aubin aus dem Arbeitskreis von Prof. Katharina Landfester, die auf die Herstellung von Nanopartikeln spezialisiert ist. Zunächst wurden superparamagnetische Nanopartikel aus Eisenoxid in eine Schutzhülle aus Polystyrol eingekapselt. Das erhält den Superparamagnetismus auch bei der Bildung großer Aggregate. Die Schutzhülle fungiert in diesem Fall als Abstandshalter zwischen den Nanopartikeln. Diese wurden in wässriger Suspension auf einer wasserabweisenden Oberfläche abgesetzt, wo sich kugelförmige Tropfen bildeten. Nach dem Verdampfen des Wassers blieb eine dreidimensionale Struktur zurück, die nur aus Nanopartikeln besteht.

Größe und Form der resultierenden Struktur ließen sich mit der Konzentration der Nanopartikel im Wasser verändern. Auch der Einfluss eines externen Magneten während des Verdampfens gab die Möglichkeit, die Strukturen zu beeinflussen. Eine andere Konzentration der Nanopartikel führt zu unterschiedlichen Strukturgrößen von mehreren Mikrometern bis zu mehreren Millimetern. Eine Variation der Stärke des Magnetfeldes führt zu unterschiedlichen Formen, da die Nanopartikel mit dem Magneten und auch untereinander interagieren.

Mit diesem Präparationsverfahren entstanden tonnenförmige, kegelartige oder zweitürmige Strukturen. Nach Angaben der Forscher ist das ein großer Schritt in Richtung des Einsatzes von superparamagnetischen Mikrostrukturen in modernen Anwendungen. „Unsere Methode ist sehr vielseitig einsetzbar sowie zeit- und materialeffizient“, sagt Héloïse Thérien-Aubin.

Um Bewegungen im kleinsten Maßstab geht es auch einem internationalen Forschungsteam, das an einem neuartigen mikroelektronischen System arbeitet. Der, wie es heißt, „kleinste mikroelektronische Roboter der Welt“ wird durch einen Zwillings-Düsenjet angetrieben und gesteuert.

Mikroelektronischer Roboter mit verschiedenen Funktionen

Der mikrolektronische Roboter ist 0,8 mm lang, 0,8 mm breit und 0,14 mm hoch. Mechanisch ist er nach Angaben der Forscher extrem flexibel, beweglich und mit diversen Funktionen ausgerüstet. An dem Projekt waren neben der TU Chemnitz und dem IFW Dresden die Chinesische Akademie der Wissenschaften Changchun und die Technische Universität Dresden beteiligt. Prof. Dr. Oliver G. Schmidt, Inhaber der Professur Materialsysteme der Nanoelektronik an der TU Chemnitz, leitet das Projekt.

Das System sei in hohem Maße manövrierfähig in wässriger Lösung und lasse sich fernsteuern, heißt es. Da elektrische Energie an Bord bereitgestellt werde, könne der Mikro-Roboter verschiedene Aufgaben erfüllen. Er verfügt über eine Lichtquelle und einen Greifarm, die kabellos mit Energie versorgt werden. Denkbar sei so der Einsatz von biomedizinischen Sensoren und Aktoren, was Anwendungen in den Bereichen der Mikro-Robotik und Medizintechnik ermögliche. Beispiele hierfür seien das gezielte Verabreichen von Medikamenten oder die Diagnose von Krankheiten direkt im Organismus.

Chemisch angetriebene Mikromotoren gibt es bereits, die in ersten medizinischen Studien in den USA auf ihre Tauglichkeit zur Heilung bestimmter Krankheiten getestet werden. Allerdings verfügen diese einfachen Systeme weder über elektrische Energie noch über mikroelektronische Einheiten an Bord. Eine gezielte Kontrolle und Steuerung solcher Mikroroboter ist somit nicht möglich.

Das ist bei dem von Oliver G. Schmidt und seinem Team entwickelten System anders: „Vor fast zehn Jahren habe ich mit meinem damaligen Team die Idee formuliert, winzige chemische Düsenantriebe mit mikroelektronischen Komponenten zu verbinden. Es ist wunderbar zu sehen, dass diese Idee nun in einer ersten vereinfachten Form experimentell realisiert werden konnte.“

Die Antriebseinheit des Systems besteht aus aufgerollten Mikroröhrchen, die Schub durch den druckhaften Ausstoß von Sauerstoffbläschen erzeugen. Diesen Vorgang können die Forscher in einem der beiden Mikroröhrchen thermisch kontrollieren und so den Mikro-Roboter in verschiedene Richtungen steuern.

Flexible Nanomembranen nehmen Elektronik auf

Das komplette mikroelektronische System besteht aus einer Kombination von Nano-Membranen auf Polymer-Basis, deren Materialeigenschaften eine wesentliche Rolle spielen. Die Konstruktion ist mechanisch hochflexibel und ermöglicht die Aufnahme elektronischer Komponenten und steuerbarer Aktuatoren. Durch die justierbare lokale Erhöhung oder Senkung der Temperatur ist es möglich, den Aktuator zu schließen und zu öffnen, um kleinste Objekte zu greifen und wieder loszulassen.

Aufgeladen wird das System durch drahtlose Energieübertragung, wofür ein externer Transmitter und eine in das Mikrosystem integrierte Empfangsantenne eingesetzt werden. Es ist nach Angaben der Forscher das erste Mal, dass die kabellose Übertragung elektrischer Energie in einem derart kleinen Mikro-Roboter genutzt werden kann. Insgesamt sei der mikroelektronische Roboter manövrierfähig und verfüge über eine Aktorik. Damit sei die Grundlage für den zukünftigen Einsatz von autonom arbeitenden Mikrorobotern im biomedizinischen Sektor geschaffen.

Da aktuell für den Antrieb unter anderem Wasserstoffperoxid notwendig ist, kann das System in dieser Labor-Konfiguration noch nicht im menschlichen Körper eingesetzt werden. Im nächsten Schritt will das Forschungsteam den Ansatz weiterentwickeln.

Doch nicht nur Magnetismus und ein mikroelektronisches System kommen für Bewegungen im Miniatur-Maßstab inFrage. Einen hocheffizienten Mikromotor und zugleich Energiespeicher haben Forscher des Helmholtz-Zentrums Geesthacht (HZG) und der Universtität Bordeaux auf Basis einer Kunststoff-Mikrofaser entwickelt. Diese ist bei Raumtemperatur steif. Ein Erwärmen jedoch macht die Faser elastisch, so dass sie verdrillt werden kann – wie bei einem Modellflugzeug mit Gummiband. Anders als Gummi behält die Faser aber ihren verdrillten Zustand bei, wenn sie abkühlt – so lange, bis man sie am Einsatzort erneut erwärmt. Die Drehspannung kehrt zurück, das bewegliche Ende beginnt sich zu drehen und der „Mikrofaser-Motor“ kann als Antrieb dienen.

Blättchen aus Graphenoxid führten zum Erfolg

Der Trick, mit dem die Forscher eine hohe Energiedichte bei der Speicherung erreichen, besteht hauptsächlich darin, den Kunststoff mit winzigen Blättchen aus Graphenoxid zu versteifen. Jinkai Yuan, der an der Université de Bordeaux forscht, erklärt: „In den Experimenten zeigte sich, dass Graphenoxid den Kohlenstoff-Nanoröhrchen überlegen ist.“ Durch die günstige Orientierung der Nanoblättchen zur Deformationsrichtung der Faser und deren eigene Verformung werde mit Graphenoxid ein höheres Drehmoment erreicht.

Prof. Andreas Lendlein, Leiter des HZG-Instituts für Biomaterialforschung in Teltow, erläutert: „Die Anzahl der Drehungen, die der Mikro-Fasermotor ausführen kann, und der Temperaturbereich, in dem diese Bewegung ausgelöst wird, können vorbestimmt werden.“ Die so genannte Schalttemperatur, bis zu der die Drehspannung bewahrt wird, kann in weiten Grenzen über die Temperatur festlegt werden, bei der die Faser zuvor verdrillt wurde.

Fasermaterial lässt sich auch bei Körpertemperatur schalten

Bei dem untersuchten Fasermaterial Polyvinylalkohol hat sich eine Programmiertemperatur von 80 °C als besonders günstig erwiesen. Hier können 80 % der durch die Verdrillung der Faser programmierten Drehungen wieder abgerufen werden. Für künftige medizinische Anwendungen kann man aber auch mit einem Kunststoff arbeiten, der bei Körpertemperatur schaltet. Dieses Ergebnis ist ein wichtiger Schritt hin zu vielen Anwendungen – wie Mikrorobotern oder gar autonomen Systemen“, so Andreas Lendlein.

Mit ihrem einfach aufgebauten Motor füllen die beiden beteiligten Forschergruppen in Bordeaux und in Teltow bei Berlin eine Marktlücke. Denn für viele Zwecke ist ein Elektromotor zu schwach, zu groß, zu wenig robust – und er benötigt Strom- und Steuerungskabel. Bei den bisherigen Versuchen mit Fasern waren wiederum Rotationsgeschwindigkeit, Drehmoment und Rotationswinkel zu klein. Vor allem aber ließ die gewichtsbezogene Energiedichte zu wünschen übrig. Beim Mikrofaser-Motor ist sie 60-mal höher als bei natürlichen Skelettmuskeln. (op)


Weitere Informationen

Zur Veröffentlichung über die superparamagnetischen Nanopartikel in ACS Nano der American Chemical Society:

http://hier.pro/7ACtt

Zur Veröffentlichung über die mikroelektronischen Systeme in Nature Electronics:

http://hier.pro/aRr3d

Zur Veröffentlichung über die verdrillten Fasern in Science:

http://hier.pro/sIGre

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