Angetriebene Elektrolyte sind auf der Nanoskala agil und aktiv

Moderne Technologien zur Energiespeicherung sowie biologische Systeme – etwa das neuronale Netzwerk im menschlichen Gehirn – basieren fundamental auf Elektrolyten, deren geladene Teilchen sich innerhalb elektrischer Felder bewegen. Dieses physikalische Prinzip ermöglichte jüngst die Entwicklung synthetischer Motoren und molekularer Sensoren im Nanobereich und liefert zudem entscheidende Erkenntnisse über biologische Prozesse in Nanoporen. Eine zentrale Rolle spielt dabei das Lösungsmittel als Hintergrundmedium, da die aus ihm resultierenden hydrodynamischen Fluktuationen die Dynamik maßgeblich beeinflussen. In solchen Systemen werden Partikel von diesen stochastischen Schwankungen erfasst, wodurch ihre Bewegungen effektiv gesteuert werden können.

Neue Erkenntnisse zur Elektrolyt-Dynamik

Entgegen der herkömmlichen Vorstellung von einer ruhigen, viskosen Umgebung im Nanobereich, in der sich Ionen lediglich langsam durch elektrische Felder bewegen, zeichnet die aktuelle Forschung ein völlig neues Bild. „Wenn wir uns die Umgebung innerhalb eines angetriebenen Elektrolyten im Nanobereich vorstellen, denken wir vielleicht an ein ruhiges, viskoses Medium, in dem sich Ionen aufgrund des elektrischen Feldes bewegen und langsam diffundieren. Die neue Studie zeigt jedoch, dass dieses Bild falsch ist: Die Umgebung ähnelt einem turbulenten Meer, was angesichts der geringen Größe höchst ungewöhnlich ist“, erklärt Ramin Golestanian.

Die Untersuchung enthüllt, dass die Ionenbewegung großräumige, fluktuierende Flüssigkeitsströmungen hervorruft, welche das gesamte Medium aufwirbeln. Dies führt dazu, dass selbst ungeladene Partikel in dieser Umgebung in eine schnelle Bewegung versetzt werden. „Interessanterweise zeigt das Verhalten je nach Zeitskala und Dimensionalität des Systems unterschiedliche Regime“, kommentiert Golestanian. Er resümiert, dass diese Analyse die dominante Rolle hydrodynamischer Wechselwirkungen zwischen Teilchen bei der Entstehung komplexer, emergenter Eigenschaften in mikroskopischen Systemen außerhalb des Gleichgewichts unterstreicht.

Das vorgestellte Modell hilft dabei, das Verhalten von Partikeln im Nanobereich in biophysikalischen Systemen wie Ionenkanälen und Nanoporen zu beschreiben und vorherzusagen. Ebenso kann es für die Entwicklung von Sensoren, die im Nanobereich einzelne Moleküle erkennen, von Nutzen sein.

Quelle

Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (02/2026)