Wenn magnetotaktische Mikroschwimmer wie kalte Atome kondensieren

17. Februar 2021

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen zeigen, dass magnetfeldempfindliche Mikroschwimmer unter bestimmten Bedingungen in der Lage sind, sich in eine neue Phase zu organisieren, und damit analoge Eigenschaften haben, wie sie bei ultra-kalten Quantengasen beobachtet werden.

Durch den Einfluss der Magnet- und Strömungsfelder konzentrieren sich die magnetotaktischen Schwimmer im Zentrum des Kanals. Bei geringer Dichte (oberes Bild) führen die Fluktuationen in ihrer Position und Schwimmrichtung zu einer relativ breiten Verteilung um das Kanalzentrum. Bei ausreichend hoher Dichte jedoch (unteres Bild) lassen die magnetischen Wechselwirkungen zwischen den Schwimmern sie sich zu einem Kondensat im Zentrum des Kanals selbstorganisieren, was zu einer schärferen Verteilung führt.

Im Gegensatz zur unbelebten „passiven“ Materie gelten für die motile „aktive“ Materie nicht die Erhaltungssätze der gewöhnlichen Thermodynamik. Das heißt, aktive Materie strebt nicht ins Gleichgewicht, sondern wendet ständig Energie auf, um z.B. einen Bewegungszustand zu erreichen. Seit über zwanzig Jahren stellt sie daher für die Forscher eine faszinierende Plattform dar, in der ständig neue exotische Materiezustände entdeckt werden, für die es keine Entsprechung im thermodynamischen Gleichgewicht gibt. Unter allen Arten von Schwimmern sind sogenannte magnetotaktische Schwimmer, deren Bewegung magnetischen Feldlinien folgt - seien es Bakterien, die ein besonderes Organ entwickelt haben, um Magnetfelder zu spüren, oder technisch entwickelte Mikroroboter - von besonderem Interesse sowohl für die Grundlagenforschung als auch für die Anwendung. Da die magnetische Aktivierung nicht invasiv und biologisch verträglich ist, sind magnetisch aktivierte Mikroroboter vielversprechende Kandidaten für biomedizinische Anwendungen, wie z.B. eine zielgenaue Verabreichung von Medikamenten. Darüber hinaus stellen Ansammlungen solcher Schwimmer sehr komplexe Studienobjekte dar, da jeder sein eigenes Magnetfeld erzeugt und somit die Bewegung aller anderen beeinflusst. Im Zusammenspiel mit Eigenantrieb und äußerem Antrieb durch ein Magnetfeld oder eine Strömung können die entstehenden Wechselwirkungen zu faszinierendem kollektivem Verhalten führen.

In einer neuen Arbeit, die in Physical Review Lettersveröffentlicht wurde, zeigt ein Forscherteam unter der Leitung von Ramin Golestanian, Direktor der Abteilung Physik lebender Materie am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, dass magnetotaktische Schwimmer, die in einem mikrofluidischen Kanal eingeschlossen sind, ein neuartiges kollektives Verhalten entwickeln, durch das sich eine Phase ausbildet, die formal als klassisches Äquivalent eines Bose-Einstein-Kondensats (BEC) beschrieben werden kann. 

Das Bose-Einstein-Kondensat in aktiver Materie

Boson - benannt nach dem indischen Physiker Satyendra Nath Bose - bezeichnet die Art von Quantenteilchen, die die Eigenschaft haben, den gleichen Quantenzustand, wie z. B. Spin oder Energie, einnehmen zu können. „Aufgrund dieser besonderen Eigenschaft kondensieren Bosonen (wie Helium-4 oder andere atomare Gase) bei Abkühlung nahe an den absoluten Nullpunkt in den selben Quantenzustand und bilden so ein einziges makroskopisches Objekt mit Quanteneigenschaften.", sagt Benoît Mahault, einer der Autoren der Studie. Ein solcher Materiezustand, der in den 1920er Jahren erstmals von Albert Einstein vorhergesagt wurde, wird als das Bose-Einstein-Kondensat bezeichnet.

Magnetische Mikroschwimmer befinden sich jedoch normalerweise bei Raumtemperatur und unterliegen somit nicht den Regeln der Quantenmechanik. Dennoch legen numerische Simulationen und die von Golestanian und seinem Team entwickelte Theorie nahe, dass solche Schwimmer - wenn sie in einem mikrofluidischen Kanal einem äußeren Magnetfeld und einem Scherfluss ausgesetzt sind – Kondensate ausbilden, die analog zum BEC beschrieben werden können. „Die Kombination aus Magnet- und Strömungsfeld wirkt so, als befänden sich die Schwimmer in einer effektiven Potentialmulde, die sie auf natürliche Weise in die Mitte des Kanals anzieht", sagt Fanlong Meng, der Erstautor der Studie. „Solche mikroskopisch kleinen Teilchen schwanken aber in ihrer Position und Schwimmrichtung, was ihrer Anhäufung entgegenwirkt und jede Art von großräumiger Clusterbildung verhindert", fügt er hinzu. Die Gültigkeit der Beschreibung durch nicht-wechselwirkende Schwimmer geht jedoch verloren sobald deren Dichte einen bestimmten Schwellenwert überschreitet. "Dann sind die Anziehungskräfte zwischen den Schwimmern stark genug, um den Einfluss der Fluktuation zu überwinden, was dazu führt, dass eine makroskopische Anzahl von ihnen gefangen bleibt und sich entlang der Kanalmitte anordnet", erklärt Golestanian. In bemerkenswerter Weise zeigt der von den Autoren entwickelte theoretische Rahmen, dass die makroskopische Beschreibung dieser Clusterbildung starke Ähnlichkeiten mit dem BEC aufweist, obwohl die beiden Phänomene aus unterschiedlichen physikalischen Prozessen stammen.

Die verschiedenen Phasen magnetischer Schwimmer

Dies ist nicht das erste Mal, dass die Gruppe von Prof. Golestanian den Ursprung eines erstaunlichen kollektiven Verhaltens von magnetotaktischen Schwimmern enthüllt. So konnten sie in einer früheren Veröffentlichung (Fanlong Meng, Daiki Matsunaga, and Ramin Golestanian, „Clustering of Magnetic Swimmers in a Poiseuille Flow“, Phys. Rev. Lett. 120 (2018) 188101) aufklären, wie magnetische Wechselwirkungen zwischen Schwimmern zu deren Selbstorganisation in Gruppen, die sich entlang des Kanals bewegen, beitragen. "Diese früheren Ergebnisse wurden außerhalb des Kondensationsregimes erzielt", spezifiziert Mahault, "was uns dazu veranlasste, sie wieder aufzugreifen". Auf diese Weise konnten die Autoren ein Phasendiagramm erstellen, das alle dynamischen Zustände der magnetotaktischen Schwimmer beschreibt. "Unser theoretisches Modell ist zudem detailliert genug, um direkte Vergleiche mit Experimenten an biologischen oder künstlichen Schwimmern zu ermöglichen", ergänzt Golestanian. Die Autoren schlussfolgern, dass die Ergebnisse nicht nur das breite Spektrum der kollektiven Dynamik aktiver Materie bereichern, sondern auch interessante Parallelen über die Grenzen der Disziplinen der Physik hinweg aufzeigen und Orientierungshilfen für die zukünftige Entwicklung steuerbarer funktionaler mikro-robotischer Systeme mit bestimmten, angestrebten emergenten Eigenschaften liefern. 

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