Collective self-sorting on a chip

Sortieren ist ein grundlegender Akt der Organisation, der Prozess, durch den ein chaotisches Durcheinander verschiedener Dinge seinen Platz findet. In der stillen Welt der Physik, in der Systeme in Ruhe verharren, geschieht diese Organisation meist deshalb, weil sich die Bestandteile in den Zustand niedrigster Energie einpendeln, wie Steine, die auf den Grund eines Teiches sinken. Doch die Welt ist selten still. In Systemen, die sich ständig bewegen und Energie verbrauchen – was Wissenschaftler als aktive Materie bezeichnen – ändern sich die Regeln. Hier warten die Teilchen nicht auf einen sanften Stoß durch Wärme, um sich zu bewegen; sie treiben sich selbst an. Wenn sich diese selbstantreibenden Teilchen mit anderen vermischen, die sich anders bewegen, können sie spontan auseinanderdriften, nicht weil sie müde sind, sondern weil ihre bloße Bewegung sie auseinanderdrängt. Dieses Phänomen bietet eine neue Möglichkeit, mikroskopische Objekte ohne externe Siebe oder komplexe Maschinen zu sortieren, indem man sich stattdessen auf das Verhalten der Teilchen selbst verlässt, um die Arbeit zu erledigen.

Ein Forschungsteam der Universität Leiden hat dieses Prinzip nun in ein funktionierendes Gerät verwandelt: einen mikrofluidischen Chip, der eine Mischung winziger, selbstantreibender Teilchen einfach dadurch sortiert, dass er sie durch einen gekrümmten Pfad leitet. Die Wissenschaftler begannen mit einer Mischung aus zwei Arten mikroskopischer Rollen, eine aus Polystyrol und die andere aus einem anderen Kunststoff namens Polymethylmethacrylat. Wenn sie in eine spezifische Flüssigkeit gegeben und einem elektrischen Feld ausgesetzt werden, beginnen diese Teilchen, über die Oberfläche zu rollen und bilden eine dichte, wirbelnde Menge. Die Forscher entdeckten, dass sich die beiden Arten von Teilchen natürlich trennen, wenn sie sich mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegen: Die schnelleren wandern zum äußeren Rand des Wirbels, während die langsameren sich im Zentrum sammeln. Diese Trennung wird nicht durch die Größe der Teilchen oder das Material, aus dem sie bestehen, festgelegt; sie wird vollständig durch den Unterschied in ihrer Geschwindigkeit angetrieben. Durch die Anpassung des elektrischen Feldes konnte das Team sogar die Geschwindigkeit der Teilchenarten umkehren, wodurch das Sortiermuster sofort umkehrte, sodass der neue „Anführer“ den äußeren Ring einnahm.

Um genau zu verstehen, wie diese Trennung funktioniert und wie man sie nutzbar machen kann, erstellten die Forscher ein Computermodell, das das Verhalten tausender dieser Teilchen simulierte. Sie bestätigten, dass der Unterschied in der Geschwindigkeit allein ausreichte, um die Trennung voranzutreiben, selbst wenn die Teilchen unterschiedliche Größen hatten. Die Simulationen enthüllten auch ein entscheidendes Detail über die Form des Behälters: Die Trennung erfolgt am effizientesten, wenn die Teilchen in einem engen, gekrümmten Raum eingeschlossen sind. Ein großer, offener Kreis erlaubte zwar die Trennung, aber es dauerte lange. Ein kleinerer, engerer Kreis zwang die Teilchen dazu, sich viel schneller neu zu organisieren. Diese Erkenntnis führte zu einem Schlüsseldesignprinzip: Um Teilchen schnell und effektiv zu sortieren, sollte man eine Serie kleiner, gekrümmter Kanäle anstelle eines großen Raumes verwenden.

Die Forscher übertrugen diese Erkenntnisse dann auf ein physisches Gerät. Sie entwarfen einen Chip mit einem gewundenen, schlangenartigen Kanal aus aufeinanderfolgenden gekrümmten Abschnitten. Während die gemischte Suspension der Teilchen in das Gerät fließt, werden die schnelleren Teilchen gegen die Außenwand jeder Kurve gedrückt, während die langsameren gegen die Innenwand gedrückt werden. Am Ende jedes gekrümmten Abschnitts leitet eine kleine Wand den äußeren Strom der schnellen Teilchen zu einem Auslass und den inneren Strom der langsamen Teilchen zu einem anderen. Das Team testete dieses Design mit echten Teilchen, indem sie eine gemischte Suspension in den Chip injizierten. Während die Mischung durch die zehn gekrümmten Einheiten des Geräts wanderte, wurde die Trennung mit jeder Wendung deutlicher. Als die Teilchen das Ende des Geräts erreichten, waren die beiden Arten weitgehend in distinkte Ströme sortiert, wobei die schnelleren Teilchen an einem Ausgang und die langsameren an dem anderen gesammelt wurden.

Diese Arbeit zeigt, dass das kollektive Verhalten aktiver Teilchen genutzt werden kann, um eine kontinuierliche, autonome Sortiermaschine zu erschaffen. Das Gerät benötigt keine komplexen beweglichen Teile oder externe Felder, um die Komponenten zu trennen, sobald der Fluss gestartet ist; die Geometrie des Kanals und die Eigenbeweglichkeit der Teilchen erledigen den Rest. Die Forscher zeigten, dass sie durch die sorgfältige Abstimmung der Krümmung des Pfades und der Position der Innenwände kontrollieren konnten, sowohl wie rein die getrennten Ströme waren als auch wie viele Teilchen erfolgreich gesammelt wurden. Obwohl das Gerät mit einem spezifischen Typ selbstantreibender Teilchen getestet wurde, deutet das zugrunde liegende Prinzip auf einen neuen Weg zur Trennung mikroskopischer Objekte basierend auf ihrer Geschwindigkeit hin, was ein potenzielles Werkzeug für zukünftige Anwendungen in der Mikrofluidik darstellt, in denen eine sanfte, kontinuierliche Sortierung benötigt wird.