Mikropartikel unterschiedlicher Größe gezielt und gleichzeitig in verschiedene Richtungen lenken

Ein internationales Konsortium der Universitäten Tübingen, Bayreuth und Kassel sowie der Polnischen Akademie der Wissenschaften hat ein Verfahren zur größenabhängigen Translation magnetischer Mikropartikel entwickelt. Diese Kolloide messen nur zwischen einigen zehn Nanometern bis zu mehreren Mikrometern und sind für Applikationen wie Targeted Drug Delivery, medizinische Labordiagnostik und Material-Präparation von zentraler Bedeutung. Das Setup nutzt schachbrettartig gemusterte Magnetschichten als Substrat. Während der Transport bisher auf spezifische Äquipotentialflächen begrenzt war, auf denen Partikel unabhängig von ihrem Volumen bewegt wurden, ermöglicht der neue Ansatz nun eine gezielte, größenselektive Steuerung der Partikelströme durch die Überwindung bisheriger Limitierungen in der magnetischen Kraftbalance.

Größenunterschied zwischen Partikeln wird relevant

Durch eine Verringerung des Abstands zwischen Partikeln und der magnetischen Substratschicht konnte das Forschungsteam die Größeninterdependenz der magnetischen Wechselwirkung verstärken. „Indem wir die Beschränkung auf große Höhen aufheben, nutzen wir den Umstand, dass Partikel unterschiedlicher Größe auch unterschiedlich von der magnetischen Landschaft beeinflusst werden“, erklärt Dr. Daniel de las Heras. Die Steuerung erfolgt über ein externes, homogenes Magnetfeld, das eine positions- und höhenabhängige Energielandschaft generiert.

Innerhalb dieser Landschaft existieren diamantartige Konturen kritischer Feldorientierungen, bei denen topologische Transformationen des Energieprofils auftreten. Eine zyklische Modulation des externen Magnetfeldes entlang dieser Konturen induziert den Partikeltransport zwischen den Zellen des Schachbrettmusters. Da die Geometrie dieser Konturen direkt mit dem Partikelradius korreliert, lassen sich Schwellenwerte für die Bewegung definieren: Ein spezifischer Feldumlauf kann die Trajektorie eines größeren Partikels triggern, während kleinere Kolloide aufgrund ihrer abweichenden energetischen Kopplung stationär verbleiben. Dies ermöglicht eine simultane, unabhängige Manipulation heterogener Partikelpopulationen.

Bewegung der Partikel ist robust gegenüber äußeren Störungen

Zur Validierung der Methodenpräzision steuerten die Forschenden simultan Partikel unterschiedlicher Fraktionen auf komplexen Trajektorien, die die Lettern „S“ und „L“ nachzeichneten. Diese Translationen sind topologisch geschützt und weisen eine hohe Robustheit gegenüber externen Störfaktoren oder substratbedingten Imperfektionen auf. „Durch das Aneinanderreihen dieser einfachen Umlaufbewegungen können wir gleichzeitig für verschiedene Partikel beliebig komplexe Bewegungsbahnen erzeugen“, so Sebastian Wohlrab. Diese programmierbare Kontrolle prädestiniert das Verfahren für fortschrittliche Lab-on-a-Chip-Applikationen und die automatisierte Assemblierung intelligenter Nanomaterialien, wie etwa photonischer Kristalle.

„Die Ergebnisse dieser Studie zeigen, welches Potenzial in der Zusammenarbeit zwischen Forschenden über Universitäten und Institutionen hinweg steckt: Sie kann bemerkenswerte Fortschritte ermöglichen. Die neue Methode dieser Studie eröffnet vielfältige Anwendungsmöglichkeiten und könnte weitere Innovationen anstoßen. Dies unterstreicht, wie wissenschaftliche Erkenntnisse in zahlreiche Bereiche unserer Gesellschaft hineinwirken“, resümiert Professorin Dr. Karla Pollmann. Die Synergie interdisziplinärer Forschung bildet hierbei die Basis für technologische Sprunginnovationen in der Mikrosystemtechnik.

Quelle

Eberhard Karls Universität Tübingen (05/2026)