Bäumchen Gruppe

Forschung

Unsere experimentelle Expertise umfasst Rasterkraftmikroskopie, Ellipsometrie, Mikrofluidik & Lab-on-a-Chip-Technologien, Zellkultivierung, Mikrofabrikation, digitale Bildverarbeitung & -analyse und modernste optische Mikroskopie mit Hochgeschwindigkeits-, Fluoreszenz- & kontrastverstärkenden Bildgebungsmodi. Darüber hinaus haben wir erfolgreich eine einzigartige in-vivo-Mikropipetten-Kraftspektroskopietechnik entwickelt, die es ermöglicht, Kräfte bis hinunter zum Pikonewton-Niveau in lebenden Zellen, multizellulären Systemen, Mikroorganismen und biologischem Gewebe zu messen.

Die Forschungsgruppe hat fruchtbare Kooperationen und einen aktiven Austausch mit Experimental- und Theoriegruppen innerhalb des MPI-DS sowie außerhalb des Instituts aufgebaut, z.B. an der McMaster University (Hamilton, Kanada), ESPCI - Paris Tech (Paris, Frankreich), ENS (Paris, Frankreich), Universität Bordeaux (Bordeaux, Frankreich), Cornell University (Ithaca, USA), Oxford University (Oxford, Großbritannien), HU und TU Berlin (Berlin, Deutschland), Georg-August-Universität Göttingen (Göttingen, Deutschland), Universität des Saarlandes (Saarbrücken, Deutschland) und anderen.

1.  Lebende Materie in abgeschlossenen Volumina: Die Physik des Lebens in komplexen Geometrien

Die natürlichen Lebensräume vieler lebender Mikroorganismen sind komplexe geometrische Umgebungen. Für bewegliche Organismen wie Bakterien und Mikroalgen, die sich innerhalb ihres Mikrohabitats durch ein flüssiges Medium bewegen, herrscht das Bild vor, dass die Kontakt- und hydrodynamischen Kräfte ihre Interaktionen mit Grenzflächen genau bestimmen. Die Art und Weise, wie diese mit Flagellen ausgestatteten Zellen die Domänengrenzen in ihrem begrenzten Lebensraum erforschen, hat wichtige Auswirkungen auf die Kolonisierung poröser Medien und die Bildung von Biofilmen in Anwendungen wie Wasserfiltration, Bioremediation und Biokraftstoffproduktion. 

2. Lebende Materie an Grenzflächen: Zelladhäsion und Zellmotilität

Grenzflächenkräfte spielen eine entscheidende Rolle bei der Zelladhäsion und Zellmotilität sowie beim Übergang zwischen dem planktonischen und dem oberflächenassoziierten Zustand. Wir haben erfolgreich eine neuartige Mikropipetten-Kraftspektroskopietechnik für zeitaufgelöste in-vivo-Kraftmessungen in biologischen Systemen entwickelt. Bei der Quantifizierung von Kräften in lebenden Systemen bis hinunter zum Pikonewton-Niveau ermöglicht die Technik die gleichzeitige Korrelation dieser Kräfte mit der Form des Objekts und seiner Kontaktfläche mit einer Grenzfläche. In Kombination mit modernster Mikroskopie und Hochgeschwindigkeits- sowie Fluoreszenz-Bildgebung ermöglicht die Technik den Zugang zu Kräften in einer Vielzahl von lebenden Systemen, einschließlich Einzelzellen, multizellulären Aggregaten und Mikroorganismen. Diese Erkenntnisse sind von hoher Relevanz für das Verständnis der Entstehung von Biofilmen und haben ein breites Anwendungsspektrum im Hinblick auf erneuerbare Energien und die Entwicklung von pharmazeutischen Wirkstoffen.

3. Mikro- und Nanofluidik - Benetzung, Kontaktlinienphysik und Elasto-Kapillarität

Dünne Flüssigkeitsfilme sind im täglichen Leben und in der Technik allgegenwärtig. Das Verständnis, ob ein dünner Flüssigkeitsfilm, wie z.B. eine Beschichtung oder ein Schmiermittel, eine Oberfläche benetzt oder nicht, ist für die Technologien und Herstellungsverfahren der Mikrochip-Herstellung von großer Bedeutung. Wenn der Film instabil ist, erzeugen verschiedene Bruchmechanismen charakteristische Flüssigkeitsmorphologien, und die entstehenden Muster zeigen, welche intermolekularen Kräfte im Spiel sind. Die Dynamik von komplexen Flüssigkeiten an Grenzflächen wird nicht nur durch intermolekulare Wechselwirkungen und Reibung zwischen der Flüssigkeit und dem Substrat beeinflusst, sondern auch durch die Fähigkeit eines weichen Substrats, sich zu verformen. Wir untersuchen das komplexe Wechselspiel zwischen der Kapillarität einer Flüssigkeit und der Elastizität von weichen Materialien und vergleichen unsere experimentellen Ergebnisse mit numerischen Simulationen und analytischen Modellen.

4. Mikro- und Nanofluidik - Neues Überdenken der hydrodynamischen Randbedingungen

Die Strömung komplexer Flüssigkeiten auf kleinen Längenskalen wird oft ausschließlich durch Kapillarkräfte angetrieben. Ausgehend von einer beliebigen nicht-flachen Oberflächengeometrie nähert sich ein dünner Flüssigkeitsfilm durch Verringerung seiner Oberfläche seinem Gleichgewichtszustand. Solche Flüssigkeitsinstabilitäten erzeugen einzigartige mikro- und nanofluidische Merkmale, die durch analytische Modelle und numerische Berechnungen erfasst werden können. Die vollständige Beschreibung der Dynamik, Skalierungen und Selbstähnlichkeiten sind leistungsstarke Werkzeuge zur Bewältigung wichtiger Herausforderungen im Hinblick auf die präzise Kontrolle kleinster Flüssigkeitsmengen: Können Flüssigkeiten gleiten? Was sind die Parameter, die die hydrodynamische Randbedingung bestimmen? Die rutschfreie Randbedingung gilt typischerweise für makroskopische Strömungen. Auf sehr kleinen Skalen wie dünnen Flüssigkeitsfilmen und Mikrotröpfchen kann der hydrodynamische Schlupf jedoch den Flüssigkeitstransport stark beeinflussen.

5. Lab-on-a-Chip-Technologien: Herstellung und Kontrolle von funktionalisierten Bläschen

Die Synthetische Biologie erscheint als aufstrebendes Forschungsgebiet zur Nachahmung natürlicher Systeme, wobei ein Bottom-up-Ansatz für den Entwurf funktioneller biologischer Einheiten verfolgt wird. Eine Schlüsselherausforderung in diesem Bereich ist die Herstellung von Mikrovolumina, die maßgeschneiderte physikalische Eigenschaften und biologische Funktionalitäten aufweisen. Im Rahmen der MaxSynBio-Initiative des Bundesministeriums für Wissenschaft und Bildung (BMBF) und der Max-Planck-Gesellschaft entwickeln wir mikrofluidische Technologien für die Hochdurchsatzproduktion funktionalisierter Gefäße mit maßgeschneiderten Eigenschaften, die auf der Selbstorganisation von Phospholipiden und Blockcopolymeren in einer Vesikelmembran basieren.
 
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