TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Felder und Wellen

Licht, UV, Infrarot und Laser (IV)

An einem neuen Energiesystem, das die Infrarot-Energie der Erde in sauberen Strom konvertiert, arbeiten Physiker der Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) um Federico Capasso. Was sinnvoll ist, wenn man bedenkt, daß unser Planet ständig Hunderte Millionen Gigawatt Infrarotstrahlung in den Raum freigibt.

Dem Bericht vom März 2014 zufolge schlägt das Forschungsteam zwei Geräte vor, die zwar ähnlich wie Photovoltaik-Systeme funktionieren – jedoch anstatt einfallendes sichtbares Licht einzufangen um Gleichstrom zu erzeugen, dies durch das Aussenden von Infrarotlicht erreichen. Auch wenn es auf den ersten Blick seltsam erscheinen mag, Energie zu erzeugen, indem Energie freigesetzt wird, ist die Sache realistisch, wenn auch ein wenig bescheiden.

Das erste der beiden Geräte nutzt eine ,heiße Platte’, die durch die Temperatur der Erde erwärmt wird. Darüber gibt es eine ,kalte Platte’ aus einem stark emittierenden Material, welche die Wärme effizient nach oben in den Himmel abstrahlt. Basierend auf Messungen der Infrarotemissionen in Lamont, Oklahoma, berechnen die Forscher, daß die Wärmedifferenz zwischen den Platten ein paar Watt pro Quadratmeter erzeugen könnte – und zwar Tag und Nacht. Als schwierig mag sich allerdings erweisen, die ,kalte Platte’ kühler als die Umgebungstemperatur zu halten.

Die zweite vorgeschlagene Vorrichtung soll ebenfalls eine Temperaturdifferenz nutzen, um Strom zu erzeugen, diesmal jedoch im Nano-Maßstab, da die Wissenschaftler vermuten, daß auch Temperaturunterschiede zwischen nanoskaligen elektronischen Komponenten – wie z.B. Dioden und Antennen – einen kontinuierlichen Strom von Elektrizität erzeugen könnten. Mit einer normalen Solarzelle gekoppelt wären damit Systeme denkbar, mit denen sich ohne zusätzliche Installationskosten Leistung auch in der Nacht erzielen ließe.

Im April 2014 publizieren Forscher der University of Houston um Zhifeng Ren gemeinsam mit Kollegen des National Center for Nanoscience and Technology of China den im Netz einsehbaren Bericht ,Metallic nanostructures for light trapping in energy-harvesting devices’, in welchem sie einen Überblick über den Lichteinfang mit metallischen Nanostrukturen für Dünnschichtsolarzellen und selektive Solarabsorber geben.

Die metallischen Nanostrukturen können entweder zur Verringerung der Materialdicke und der Gerätekosten oder zur Verbesserung der Lichtabsorption und damit der Umwandlungseffizienz eingesetzt werden. Sie können zum Lichteinfang beitragen, indem sie das Licht streuen bzw. die Weglänge des Lichts erhöhen, indem sie ein starkes elektromagnetisches Feld in der aktiven Schicht erzeugen oder indem sie mehrfach reflektieren/absorbieren. Auch die nachteiligen Auswirkungen metallischer Nanostrukturen werden erörtert und wie diese Probleme gelöst werden können, um den Lichteinfang-Effekt voll auszunutzen.

Eines der aufgeführten Beispiele ist der abgebildete thermoelektrischer Solargenerator, der aus einem Paar thermoelektrischer Elemente und einem selektiven Flachabsorber besteht, der auch als thermischer Konzentrator wirkt. Das Gerät ist von einem Glasgehäuse umgeben, das eine evakuierte Umgebung aufrechterhält.

Im Januar 2015 veröffentlicht ein Forscherteam des Institut Charles Sadron des CNRS, unter der Leitung von Prof. Nicolas Giuseppone von der Universität Straßburg, den Bericht über die Entwicklung eines Polymergels, das dank künstlicher Molekularmotoren kontrahiert.

Sehr komplexe Eiweißverbindungen sind unverzichtbar für alle Bewegungsabläufe des lebenden Organismus, wobei jeder dieser Molekularmotoren jedoch nur über Entfernungen von wenigen Nanometern arbeitet. Im Verband von mehreren Millionen jedoch arbeiten sie nicht nur perfekt koordiniert, sondern auch auf makroskopischer Ebene, was ein Muskel, der aufgrund des koordinierten Zusammenspiels zahlreicher Proteinmotoren kontrahiert, beispielhaft veranschaulicht.

Die nun geschaffenen künstlichen, nanometergroßen Motoren werden durch Licht aktiviert, wobei sich die Polymerketten dieses Gels einrollen und sich so über mehrere Zentimeter zusammenziehen. Um dies zu erreichen, ersetzen die Forscher die Vernetzungspunkte eines Gels (über welche die Polymerketten untereinander verbunden sind) durch rotierende Molekularmotoren, die auf makroskopischer Ebene zeitlich koordiniert und kontinuierlich laufen.

Die Lichtenergie, die für den Antrieb dieser Motoren notwendig ist, wird durch das Einrollen der Polymerketten zum Teil in mechanische Energie umgewandelt und im Gel gespeichert. Auf der schematischen Darstellung ist ein Polymergel zu sehen, dessen Ketten sich durch rotierende Molekularmotoren vernetzen (die blauen und roten Komponenten sind gegeneinander drehbar). Trifft Licht darauf, fangen die Motoren an zu rotieren und rollen die Polymerketten zusammen, woraufhin sich das Gel auf 80 % seines Ausgangsvolumens zusammenzieht (rechts).

Sammelt sich zu viel Energie im Gel an, kann dieses allerdings aufplatzen, weshalb das Team daran arbeitet, diese Form der Lichtenergiespeicherung künftig kontrolliert nutzen zu können. Das Projekt wird finanziell vom Europäischen Forschungsrat (ERC) und der französischen Forschungsförderagentur ANR unterstützt.

Auf der IEEE International Conference on Computational Photography (ICCP) im April 2015 in Texas präsentieren Prof. Shree K. Nayar sowie die Ingenieure D. C. Sims und M. Fridberg des Columbia Imaging and Vision Laboratory der Columbia University in New York eine interessante Kombination aus ständig einsatzbereiter Kameraoptik und Strom produzierender Solarzelle. Die energieautarke Kamera kann bei ausreichender Beleuchtung von 300 Lux im Prinzip ewig funktionieren, ohne an eine externe Stromquelle angeschlossen zu werden, und dabei ein Bild pro Sekunde aufnehmen (,Towards Self-Powered Cameras’).

Herz der Videokamera sind Pixel-Baueinheiten, die sowohl Solarzelle wie Photodiode sein können, hier aber ständig zwischen beiden Betriebsarten wechseln. Die Auflösung des Prototypen, der in einem 3D-Druck-Körper untergebracht ist, beträgt nur 30 × 40 Pixel, weil aus Kostengründen zunächst auf einen wesentlich teureren Bildsensor mit höherer Auflösung verzichtet wurde, der technisch jedoch kein Problem bildet.

Langfristiges Ziel ist es, eine sehr kompakte energieautarke Kamera herzustellen, die 30 Bilder pro Sekunde mit einer Auflösung von 640 × 480 Pixel produziert und von ihren Erfindern als ,Ewige Kamera’ bezeichnet wird. Die Forschung wird von Office of Naval Research finanziert.

Ebenfalls im April 2015 ist aus Frankreich zu erfahren, daß im Rahmen des sogenannten SolTex-Projektes bis 2019 ein Photovoltaik-Textilfaden entwickelt werden soll, der aus natürlichem oder künstlichem Licht Energie erzeugen kann.

Die erwartete Energieausbeute der neuen Photovoltaik-Textil-Technologie liegt bei 10 W/m² und als vorgesehenen Anwendungen werden neben der Bekleidung noch Outdoor-Sportgeräte, Jalousien und Rolläden, Schutzplanen für Gewächshäuser und intelligente Textilien für die Innenausstattung von Autos, Zügen oder Flugzeugen genannt.

Zur Umsetzung dieser Technologie koordiniert das französische Unternehmen Sunpartner Technologies, ein Spezialist für Solarlösungen, der im Januar eine Investition von NTT DOCOMO Ventures in Höhe von 4 Mio. € erhalten hatte, ein Konsortium aus Forschungseinrichtungen und verschiedenen Unternehmen, zu denen unter anderem die Firmen Quali Therm, Payen, Texinov und Raidlight sowie das französische Forschungsinstitut CEA-Leti gehören. Das Projekt wird von der französischen öffentlichen Investitionsbank Bpifrance unterstützt.

Trotzdem muß Sunpartner Technologies im Januar 2019 Insolvenz anmelden - was aus dem SolTex-Projekt wird, ist unbekannt.

Der Name scheint jedenfalls sehr beliebt: Im Oktober 2017 startet das gleichlautende Projekt SolTex an der Hochschule Bielefeld, bei dem es um die Entwicklung einer Technologie für textile Oberflächen zur Elektrizitätserzeugung durch organische Photovoltaik geht; die Deutsche Bundesstiftung Umwelt fördert ein Solar/Wärmepumpen-System der Firma SOLTEX in Ahrensburg; und auch mehrere Textilunternehmen übernehmen diesen Namen.

Im Juni 2015 folgt die Veröffentlichung einer Gruppe indischer Forscher um Musthafa Ottakam Thotiyl vom Indian Institute of Science Education and Research, bei der es um die Entwicklung einer neuartigen Batterie geht, die durch Licht geladen wird, im Gegensatz zu herkömmlichen Akkus dabei jedoch kein zusätzliches Solarmodul als Kollektor benötigt.

Der als Photo Battery bezeichnete Stromspender kann binnen 30 Sekunden durch Innenraum-Licht aufgeladen werden, übersteht bis zu 100 Lade- und Entladezyklen und liefert genügend Strom um einen kleinen Ventilator oder eine LED-Lampe zu betreiben. Zum Einsatz kommt dabei eine Photoanode, die aus Titanium-Nitrit besteht und im Gegensatz zu Anoden herkömmlicher Batterien unempfänglicher für Überhitzungen ist und auch kein Feuer fangen kann.

Im weiteren Verlauf der Entwicklungen wollen die Forscher leistungsstärkere Versionen ihrer wässrigen wiederaufladbaren Batterie (aqueous rechargeable battery, ARB) herstellen, die eines Tages z.B. Smartphones antreiben sollen. Nähere technische Details sind bislang nicht bekannt.

Berichten vom September 2015 zufolge haben Forscher an der Ludwig-Maximilian-Universität München (LMU) um Henry Dube eine neue Klasse äußerst schnell drehender molekularer Motoren entwickelt, die Sonnenlicht als Treibstoff nutzen. Im Gegensatz zu den bisherigen lichtgetriebenen Molekularmotoren, die zumeist mit sehr energiereichem UV-Licht funktionieren, das aber die restlichen Maschinenbestandteile oder die Arbeitsumgebung schädigen kann, kommen die neuen Motoren mit weniger energiereichem und daher unschädlichem sichtbaren Licht aus.

Basis des Motors ist das Molekül Hemithioindigo, ein Photoschalter, der aus zwei unterschiedlichen Kohlenwasserstoff-Molekülen zusammengesetzt ist, die über eine chemische Doppelbindung miteinander verbunden sind. Unter Lichteinfluß verändert das Molekül seine Struktur und rotiert dabei um die zentrale Doppelbindung. Besonders beeindruckend ist die Geschwindigkeit: Bei Raumtemperatur dreht sich das Molekül etwa 1.000 Mal pro Sekunde – und zwar nur in eine Richtung.

Im September 2017 wird berichtet, daß die LMU-Chemiker zwischenzeitlich eine Methode entwickelt haben, um die Drehung des molekularen Motors zu verlangsamen und so seinen Mechanismus genauer analysieren zu können, und im April 2018 folgt die Meldung, daß mit Hilfe von ultraschneller Spektroskopie und quantenmechanischen Berechnungen derweil auch der  komplette Rotationszyklus des lichtgetriebenen, chemischen Motormoleküls Hemithioindigo charakterisiert werden konnte.

Im November meldet das Team die Entwicklung des ersten molekularen Motors, der nur mit Licht als Antrieb auskommt und temperaturunabhängig betrieben werden kann - im Gegensatz zu den bisherigen Versionen, die zusätzliche, durch Wärme angetriebene Reaktionen benötigen und deshalb von der Umgebungstemperatur abhängig sind. Der neue Motor, der ebenfalls auf dem Molekül Hemithioindigo basiert, ist bei tiefen Temperaturen sogar schneller. 2019 folgt eine Variante, die nicht nur kreisförmig rotieren kann, sondern eine gerichtete Bewegung in Form einer Acht ausführt.

Ein weiterer Bericht stammt vom Januar 2020. Demnach ist es den LMU-Forschern zwischenzeitlich gelungen, die Bewegung des lichtgetriebenen molekularen Motors auf eine andere molekulare Einheit zu übertragen – eine wichtige Voraussetzung für den Einsatz solcher Motoren in Nanomaschinen. Der nächste Meilenstein soll sein, die übertragene Energie zur Ausführung von Arbeiten auf molekularer Ebene zu nutzen.

Im November meldet Dube, der inzwischen eine Forschungsgruppe an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) leitet, daß der Rotationsmotor zum ersten Mal zur Steuerung eines separaten chemischen Prozesses genutzt wird. Er bewegt sich in vier Schritten einmal um die Kohlenstoff-Doppelbindung des Hemithioindigo, wobei sich zwei der vier durch eine Photoreaktion ausgelösten Schritte zur Kontrolle einer Katalysereaktion nutzen lassen: Grünes Licht erzeugt eine Molekülstruktur, die einen Katalysator an das Hemithioindigo bindet, blaues Licht gibt den Katalysator wieder frei.

Im April 2022 veröffentlichen die Forscher der LMU und der FAU die Studie ,Photogearing as a concept for translation of precise motions at the nanoscale’, in der sie die Konstruktion des „kleinsten aktiven Zahnradgetriebes der Welt“ berichten. Es ist nur 1,6 nm groß – was etwa einem 50.000stel der Dicke eines menschlichen Haares entspricht – und kann gezielt durch den Einsatz von Licht gesteuert werden, weshalb dafür der Name Molecular Photogear gewählt wird.

Molekulare Entsprechungen von Zahnrädern und Getrieben gibt es schon länger, sie sind allerdings nur sehr schwer zu kontrollieren. Außerdem entsteht bei der Schwingung von Molekülen Wärmeenergie, die kontrollierte Bewegungen zusätzlich erschwert. Daher bewegen sich die meisten Nanozahnräder nur passiv und zufällig und sind für den Einsatz in molekularen Maschinen nur bedingt geeignet.

Das neue lichtgetriebene molekulare Nano-Getriebe - ein winziges Zahnrad samt entsprechendem Gegenstück - kann hingegen aktiv gesteuert und angetrieben werden, so daß es nicht nur die Bewegung zwischen zwei räumlich gekippten Bauteilen ermöglicht, sondern dies auch in einer kontrollierten 2:3-Übersetzung tut.

Das Getriebe besteht aus zwei miteinander verzahnten Molekülen, die gemeinsam 71 Atome umfassen. Ein Triptycen-Molekül bildet dabei das Zahnrad: eine organische Verbindung aus mehreren Ringen, die ähnlich wie ein Schaufelrad oder ein Zahnrad mit drei Zähnen aussieht. Als Gegenstück fungiert ein um 120° gegen das Zahnrad gedrehtes flaches Thioindigo-Molekül. Wenn die Einheit mit blauem Licht bestrahlt wird, bewegen die beiden Bestandteile sich gekoppelt gegeneinander. Damit wird die Übersetzung einer 180°-Drehung in eine 120°-Drehung erreicht, während gleichzeitig die Richtung der Drehachse um 120° verschoben wird.

Eine ausführliche Darstellung findet sich in der im Netz einsehbaren Dissertation ,Hemithioindigo, molekularer Motor, Photoschalter, molekulare Maschine, Photochemie’ von Kerstin Sabine Grill aus dem Jahr 2023.

Zurück zur allgemeinen Übersicht: Im Oktober 2015 vermeldet ein Wissenschaftlerteam um Prof. Baratunde A. Cola an der Georgia Tech University einen Durchbruch beim Bau einer optischen Antenne, die in der Lage ist, Licht sofort und direkt in Gleichstrom zu wandeln, ohne hierfür irgendwelche Zwischenschritte zu benötigen, indem sie die Wellennatur des Lichts statt dessen Partikelnatur nutzt.

Das kleine Gerät, das einer SD-Karte ähnelt, besteht aus Gleichrichtern und Nanoröhrchen, die auch Licht nutzen können, welches nicht von der Sonne kommt. Dabei erzeugen die Nanoröhrchen mittels Licht eine oszillierende Ladung, die in der Rekord-Geschwindigkeit von 10¹⁵ Hz durch die Gleichrichter hin- und herfließt und hierbei einen sehr kleinen Gleichstrom  produziert.

Die Herstellung der optischen Rectennas beginnt, indem man auf einem leitfähigen Substrat Wälder von vertikal ausgerichteten, mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen mit einem Durchmesser von ~ 10 nm wachsen läßt, die als Antennen wirken. Unter Verwendung der Atomlagenabscheidung werden die Nanoröhrchen mit einem Aluminiumoxid-Material beschichtet, um sie zu isolieren. Schließlich wird die physikalische Dampfabscheidung angewandt, um über dem Nanotube-Wald dünne und optisch transparente Schichten aus Kalzium und dann Aluminium zu deponieren.

Im Betrieb passieren oszillierende Lichtwellen durch die transparente Kalzium-Aluminium-Elektrode und treten mit den Nanoröhrchen in Wechselwirkung. Die Metall/Isolator/Metall-Übergänge an den Spitzen der Nanoröhren dienen dabei als Gleichrichter, die sich in Femtosekunden-Intervallen ein- und ausschalten, so daß Elektronen, die durch die Antenne erzeugt werden, in einer Einweg-Richtung in die obere Elektrode fließen können. Bislang allerdings mit weniger als 1 % Effizienz.

Das Team führt im Laufe der Entwicklung lange Reihen von Tests mit mehr als tausend Geräten und in einem Temperaturbereich von 5°C – 77°C durch, um Strom und Spannung zu messen und die theoretisch vorhergesagte Funktion zu bestätigen. Da die von der Gruppe hergestellten Rectennas bislang auf starren Substraten gewachsen sind, ist das nächste Ziel, sie auch auf einer Folie oder einem anderen Material wachsen zu lassen, um damit flexible Solarzellen oder Photodetektoren herstellen zu können.

In Reihe verbunden könnten die neuen optischen Antennen eine riesige Menge an Strom aus Licht produzieren, wobei die Forscher im Zuge der Weiterentwicklung Wirkungsgrade von mehr als 40 % erwarten. Gleichzeitig verspricht die Technologie rund zehnfach günstigere Produktionskosten als die herkömmlicher Solarzellen. Die Forschung wird von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), dem Space and Naval Warfare (SPAWAR) Systems Center und dem Army Research Office (ARO) unterstützt.

Über grundlegende Theorie und die Vorläuferarbeiten in Bezug auf optische Rectennas, die bis Anfang der 1970er Jahre zurückreichen, gibt es einen Wikipedia-Artikel - allerdings nicht in einer deutschen Version. Hier ist auch zu erfahren, daß Cola und sein Team später die Probleme mit der Instabilität des Geräts lösen, indem sie die Diodenstruktur mit mehreren Oxidschichten modifizieren. Im Jahr 2018 melden sie dann die erste luftstabile optische Gleichrichterdiode mit verbesserter Effizienz.

Cola erhält zudem eine Reihe von Auszeichnungen, darunter 2015 den Bergles-Rohsenow Young Investigator Award der American Society of Mechanical Engineers, sowie 2017 den Alan T. Waterman Award der National Science Foundation (NSF).

Das Team der Rice University um Prof. James Mitchell Tour, das im Jahr 2005 das Einzelmolekül-Fahrzeug Nanocar entwickelt hatte (s.u. Elektrostatik), berichtet im November 2015 über die erfolgreiche Konstruktion eines Einzelmolekül-Nano-U-Boots, das verwendet werden könnte, um Medikamente im Inneren des Körpers direkt zu den passenden Orten zu liefern.

Für die aktuelle Entwicklung, an der auch Wissenschaftler der North Carolina State University in Raleigh beteiligt sind, nutzt Tour u.a. die Doktorarbeit von Martin Klok an der Universität Groningen, Niederlande, die vom Februar 2009 stammt und unter dem Titel ,Motors for use in molecular nanotechnology’ im Netz komplett einsehbar ist.

Die neue Unimolecular Submersible Nanomachine (USN) besteht aus 244 Atomen, die in einer bestimmten Formation miteinander verbunden eine Einzelmolekül-Vorrichtung bilden, die durch UV-Laserlicht mit Strom versorgt wird. Mit jeder vollen Umdrehung des Propellers – der eher wie die Geißel eines Bakteriums aussieht – bewegt sich das Gerät 18 nm weit. Da der Motor mit mehr als einer Million Umdrehungen pro Minute arbeitet, ergibt sich daraus eine Höchstgeschwindigkeit von etwas weniger als 2,5 cm pro Sekunde, was das USN zu dem sich am schnellsten bewegenden Molekül in einer Lösung macht, die im vorliegenden Fall aus Acetonitril besteht.

Wird das Molekül durch Licht angeregt, verwandelt sich die Doppelbindung, die den Rotor am Körper hält, in eine Einfachbindung, was die Drehung um einen Viertelschritt ermöglicht. Sobald dies geschehen ist, versucht der Propeller auf einen niedrigeren Energiezustand zurückzukehren und springt an benachbarten Atomen vorbei, was ihn um eine weitere Vierteldrehung bewegt. Dieser Vorgang wird so lange wiederholt, wie das Licht an bleibt.

Bislang sind die weniger als 10 nm großen U-Boote noch nicht lenkbar, aber die Forschung belegt zumindest, daß sie bei ihrer Reise durch Lösungen in der Lage sind, Moleküle von etwa gleicher Größe mit sich zu bewegen.

Im August 2017 folgt die Studie ,Molecular machines open cell membranes’, bei der das Team um Tour mit Kollegen der Durham University sowie der University of North Carolina zusammengearbeitet hat. Hier wird beschrieben, wie sich die schnell drehenden Nanomaschinen durch die Zellhüllen von Krebszellen bohren und diese innerhalb von Minuten abtöten können. Nach Abschluß der ersten Experimente an Mikroorganismen und kleinen Fischen wird das Team Nagetiere untersuchen und bei positiven Ergebnissen schließlich klinische Versuche am Menschen durchführen.

Im November 2015 berichten kanadische Forscher der University of Waterloo über eine neue Methode mit Ölsand-Verschmutzungen umzugehen, die viel effektiver und billiger als die bestehenden Methoden sei.

Zum Hintergrund: In Alberta wurden im Jahr 2014 täglich rund 2,3 Mio. Barrel Öl aus Teersand gewonnen, der drittgrößten Ölreserve der Welt. Dieser Abbauprozeß ist extrem wasserintensiv, und obwohl der Regierung zufolge 80 - 95 %  davon recycelt wird, ergeben sich immer noch riesige Absetzbecken von verschmutzten Abwässern. Gegenwärtig sind in den Teichen, die rund 77 km² bedecken, über eine Milliarde Tonnen Wasser gespeichert, das schwierig zu behandeln ist und eine Gefahr für die Umwelt darstellt. Die Toxizität basiert dabei hauptsächlich auf Naphthensäuren, deren Giftigkeit über Jahrzehnte bestehen bleibt.

Der neue Ansatz des Teams um den Doktoranden Tim Leshuk, die Verunreinigungen zu entfernen, basiert auf der Photokatalyse unter Verwendung von Nanopartikeln aus Titandioxid, die durch UV-Sonnenlicht aktiviert werden, um freie Radikale zu produzieren, welche Bakterien, Pilze und andere Organismen zerstören. Diese Technologie wird bereits bei der Entwicklung von selbstreinigender Kleidung, Fenstern, Wänden u.ä. verwendet.

Bei Tests an einer Ölsand-Abwasser-Probe stellt das Team fest, daß der Prozeß auch die toxischen Verbindungen abbaut und das Wasser innerhalb von Stunden vollständig von Naphthensäuren befreit. Besonders vielversprechend ist die Technik aus wirtschaftlicher Sicht, da sie vollständig durch Sonnenlicht angetrieben wird und die robusten Nanopartikel zudem zurückgewonnen und wiederverwendet werden können.

Im August 2016 wird die Studie ,Solar photocatalytic degradation of naphthenic acids in oil sands process-affected water’ publiziert.

Bereits im Mai 2015 hatte Leshuk zudem gemeinsam mit Frank Gu und Zac Young in Kitchener, Ontario, die Firma H2nanO gegründet, deren Technologie ohne den Einsatz von Chemikalien oder Energie auskommt und das Sonnenlicht und eine wiederverwendbare, katalysierte Reaktion nutzt, um aus dem Wasser selbst Aufbereitungsstoffe zu erzeugen. Diese Oxidationsmittel mineralisieren die Verunreinigungen vollständig und hinterlassen gereinigtes Wasser ohne Abfall oder Nebenprodukte, die eine weitere Behandlung erfordern.

Angeboten werden drei Produktgruppen: SolarPass ist ein passives Oxidationsverfahren, das sich durch die Zerstörung schwer abbaubarer Verbindungen auszeichnet; Stratus ist eine schwimmende reaktive Barriere, die zum Auffangen und Behandeln flüchtiger Emissionen aus gespeichertem Wasser verwendet wird; während Oasis die schwimmfähige Aufbereitungstechnologie nutzt, um die natürliche Verdunstung zu verbessern.

Kontextbezogen soll auf eine Veröffentlichung des Massachusetts Institute of Technology (MIT) verwiesen werden, die im Mai 2017 erscheint. Hier arbeitet ein Team um Prof. Kripa Varanasi an einem Verfahren, um Öl und Wasser mit sichtbarem Licht voneinander zu trennen, was vor allem dann schwierig ist, wenn die beiden Flüssigkeiten intensiv miteinander vermischt sind, etwa durch Wellen.

Die von Farbstoff-Solarzellen inspirierten Forscher entwickeln eine Oberfläche, die die winzigen Wassertröpfchen in einer Emulsion dazu anregt, sich miteinander zu verbinden und immer größere Lachen aus Wasser zu bilden. Ausgangsmaterial ist eine Folie, in der Titandioxid-Partikel eingebettet sind, welche die Sonnenstrahlen einfangen. Diese Folie wird auf eine Glasscheibe geklebt und in ein Bad mit einem organischen Farbstoff eingetaucht, der nach dem Trocknen eine dünne Schicht bildet.

Titandioxid und der Farbstoff fangen in Kooperation weitaus mehr Sonnenstrahlen ein als jeder einzelne - und das Licht erzeugt ein elektrisches Potential, das Wassertropfen dazu bringt, sich miteinander zu vereinigen, während das Öl davon nicht beeinflußt wird, da es Strom nicht leitet.

Im Februar 2016 stellen Wissenschaftler um Prof. Peer Fischer und Stefano Palagi am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart einen aus Flüssigkristall-Elastomeren geformten Schwimmkörper vor, der durch eine lichtinduzierte peristaltische Bewegung angetrieben wird und in seiner Bewegung der Fortbewegungsart von Wimpertierchen nachempfunden ist. An der Entwicklung sind neben dem MPI auch die Universität Stuttgart, die University of Cambridge und die Università di Firenze beteiligt.

Die Flüssigkristall-Elastomere bestehen aus stäbchenförmigen Molekülen, die zuerst parallel ausgerichtet werden wie ein Bündel Mikadostäbchen, bevor ein Spieler sie wirft. Da die Moleküle untereinander vernetzt sind, hat der Flüssigkristall eine gewisse Festigkeit wie ein Kunststoff. Bei Erwärmung verlieren die Stäbchen jedoch ihre Ausrichtung, wodurch sich das Material ausdehnt, ähnlich wie die Mikadostäbchen nach dem Wurf mehr Platz auf der Unterlage beanspruchen.

Die Wärme wird erzeugt, indem grünes Licht auf das Material gestrahlt wird. Das Licht bewirkt zudem, daß sich die Form der Moleküle selbst ändert, denn diese besitzen eine chemische Bindung, die wie ein Gelenk wirkt. Durch die Bestrahlung biegt sich das stäbchenförmige Molekül an dem Gelenk zu einem U. Damit steigt die molekulare Unordnung noch mehr und das Material dehnt sich weiter aus. Außerdem reagiert das Material sehr schnell auf das Ein- und Ausschalten des Lichtes. So nimmt es sofort nach dem Ausschalten wieder seine ursprüngliche Form an.

Die Forscher stellen zwei Arten von Mikroschwimmern her, die einen als langgestreckte Zylinder, etwa 1 mm lang und gut 200 µm dick, die anderen als winzige Scheibchen von 50 µm Dicke und mit Durchmessern von 200 oder 400 µm. In einem ersten Experiment wird mit Hilfe eines Mikroskops ein Streifenmuster aus Licht auf ein Stäbchen projiziert, wodurch an den beleuchteten Stellen Auswölbungen entstehen. Wandert das Lichtmuster dann entlang der Längsrichtung des Stäbchens, verschieben sich auch die Auswölbungen wie Wellen entlang des Körpers. Dabei erzeugt der Roboter die wurmartige Bewegung von Innen heraus, denn das Licht überträgt lediglich Energie auf den Schwimmer, übt aber keine Kraft aus.

Die durch das Lichtmuster hervorgerufene Peristaltik transportiert Flüssigkeit am Körper des Mikroschwimmers entlang, so daß er sich in entgegengesetzter Richtung bewegt. Dabei erreicht das Vehikel ein Tempo von etwa 2,1 µm/s und legt eine Strecke von 110 µm zurück. Zudem läßt sich der Roboter sehr gut steuern, denn im Prinzip können beliebige Lichtmuster auf die Schwimmer projiziert werden. Erzeugt werden die Muster mit einem Mikrospiegelaktor, einem Mosaik aus knapp 800.000 winzigen Spiegelchen, die sich einzeln bewegen lassen.

Indem etwa wandernde Streifenmuster auf die kreisförmige Oberseite eines Scheibchen-Roboters projiziert und ihre Richtung variiert wird, beschreibt der Mikroschwimmer eine viereckige Bahn, und ein Ventilator-ähnliches Lichtmuster bringt die Scheibchen zum Rotieren. Es gelingt sogar, zwei Scheibchen unabhängig voneinander steuern: Das eine im Uhrzeigersinn, das andere entgegen diesem.

Ebenfalls aus dem MPI-IS folgt im September 2016 der Bericht eines Teams um Clemens Bechinger, das gemeinsam mit Kollegen der Universität Stuttgart und der Universität Düsseldorf einen verblüffend einfachen Weg gefunden hat, Mikroschwimmer in einer Flüssigkeit durch Licht anzutreiben und durch einfache äußere Signale zu lenken. Bei Organismen wird die durch Unterschiede der Beleuchtungsstärke beeinflußte Fortbewegung Phototaxis genannt - im Unterschied zur Photokinetik, bei der die Bewegungsgeschwindigkeit von der absoluten Lichtintensität abhängt.

Die synthetisch hergestellten Partikel des MPI-Teams sind durchsichtige Glaskügelchen mit einigen Tausendstel Millimeter Durchmesser. Indem eine Hälfte mit einer schwarzen Kohlenstoffschicht überzogen wird, so daß die Teilchen an Halbmonde erinnern, erhalten sie einen Antrieb und ein Sensorium für die Richtung.

In einer Mischung aus Wasser und einer löslichen organischen Substanz bewegt sich solch ein ,Janusteilchen’, wenn es gleichmäßig beleuchtet wird. Denn das Licht erwärmt die schwarz gefärbte Hälfte stärker als die andere, und diese Wärme entmischt das Wasser und die organische Substanz. So ergibt sich ein Unterschied in der Konzentration des gelösten Stoffes zwischen den beiden Seiten des Kügelchens, der dadurch ausgeglichen wird, daß Flüssigkeit entlang der Kugeloberfläche von der transparenten Hälfte zur schwarzen Seite strömt - woraufhin das Teilchen mit der transparenten Seite voraus durch die Flüssigkeit schwimmt.

Damit sich der winzige Roboter in eine gezielte Richtung bewegt, lassen ihn die Forscher entlang eines allmählichen Hell-Dunkel-Übergangs schwimmen. Das Mikroteilchen bewegt sich dann zielgerichtet zur dunkleren Seite der Flüssigkeit. Durch einfache Modifikationen der Kugeloberfläche läßt sich aber auch eine Bewegung zur helleren Seite hin erzeugen. Und um die Mikroschwimmer auch über weite Strecken zuverlässig zu navigieren, wird mit einem Laser, Linsen und Spiegeln ein Lichtfeld mit einem Sägezahnprofil erzeugt, in welchem sich Bereiche mit abnehmender und zunehmender Helligkeit ab wechseln.

Auf der Abbildung sind Janus-Partikel mit durchschnittlichen Größen von 0,7 μm (A), 1,2 μm (B), 1,6 μm (C), 3,5 μm (D) zu sehen.

Wie im September 2020 berichtet wird, arbeitet das MPI-IS gemeinsam mit dem Stuttgarter Max-Planck-Institut für Festkörperforschung (MPI-FKF) zudem an einem biokompatiblen Mikroschwimmer auf Basis eines neuartigen 2D-Kohlenstoffnitrids, der mit Licht vorwärtsbewegt werden kann. Der diesbezügliche Artikel des Teams unter der Leitung von Prof. Bettina Lotsch und Prof. Metin Sitti ist unter dem Titel ,Carbon nitride-based light-driven microswimmers with intrinsic photocharging ability’ ebenfalls im Netz einsehbar.

Einer klitzekleinen Solarzelle mit integrierter Batterie ähnelnd, kann das etwa 3 µm große Teilchen Lichtenergie speichern und auch vorankommen, wenn das Licht ausgeht, denn 30 Sekunden Beleuchtung reichen aus, um den Mikroschwimmer etwa eine halbe Stunde lang zu versorgen. Im Experiment wird gezeigt, wie das Teilchen in einer Flüssigkeit sich sowohl mit sichtbarem als auch mit UV-Licht vorwärtsbewegen läßt.

Forscher am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation (MPIDS) zeigen wiederum im Januar 2021, wie ein effizienter Mikroschwimmer seine Schwimmtechniken von Luftblasen erlernen kann. Auch dieser Artikel namens ,Minimum Dissipation Theorem for Microswimmers’ ist im Netz einsehbar. Nicht öffentlich ist hingegen die Studie ,Light-driven carbon nitride microswimmers with propulsion in biological and ionic media and responsive on-demand drug delivery’, die im Januar 2022 erscheint.

Im Oktober veröffentlichen Nachwuchswissenschaftler der TU Dresden unter der Leitung von Juliane Simmchen die im Netz einsehbare Studie ,Apparent phototaxis enabled by Brownian motion’, in welcher sie die Bewegung der Janus-Partikel in Flüssigkeiten untersuchen. Die Gruppe beobachtet und analysiert dabei ein außergewöhnliches Phänomen: Sobald die Partikel eine beleuchtete Zone im Mikroskop verlassen, drehen sie von selbst um und schwimmen zurück – ein Verhalten, welches man sonst nur von Mikroorganismen kennt.

Es gelingt dem Team nachzuweisen, daß diese komplexe Verhaltensweise auf die natürliche Wärmebewegung, d.h. die Brownsche Molekularbewegung, zurückzuführen ist: Solange die Partikel im Licht aktiv sind, wird ihre Schwimmrichtung durch eine Kombination von physiko-chemischen Effekten stabilisiert. Doch sobald kein Licht mehr auf sie einwirkt, erfolgt kein Energieumsatz und die Bewegungsrichtung ist nicht länger stabil. In diesem Fall setzt die natürliche Wärmebewegung, die die Partikel quasi flippen läßt, woraufhin sie zurück in den belichteten Bereich schwimmen.

 

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