TEIL C

MICRO ENERGY HARVESTING

Felder und Wellen

Licht, UV, Infrarot und Laser (VII)

Im Juli 2020 meldet ein Team von Wissenschaftlern des koreanischen Gwangju Institute of Science and Technology (GIST) unter der Leitung von Prof. Jongho Lee, daß es ein ,aktives photonisches Energieübertragungssystem’ entwickelt hat, mit dem sich die Batterien von Implantaten wie Herzschrittmachern aufladen lassen, indem man Licht durch die Haut des Patienten strahlen läßt. Das System besteht aus einem flexiblen Pflaster, das eine Reihe von Mikro-LEDs enthält, sowie aus einem photovoltaischen Gerät, das an dem Implantat befestigt ist.

Wenn das Pflaster auf die Haut geklebt und die LEDs eingeschaltet werden, strahlt ihr Licht durch das biologische Gewebe des Patienten hindurch und erreicht das Gerät, das daraufhin Strom zum Aufladen der Implantatsbatterie erzeugt. Ein Prototyp des Systems wird erfolgreich an Mäusen getestet.

In den Berichten über das neue Energieübertragungssystem wird darauf hingewiesen, daß Schweizer Forscher der Universität Bern und des Universitätsspitals Bern unter der Leitung von Lukas Bereuter bereits im Januar 2017 postuliert, daß unter die Haut implantierte Solarzellen mit normalem Umgebungslicht genügend Strom erzeugen, um die Batterien von Herzschrittmachern zu laden (,Energy Harvesting by Subcutaneous Solar Cells: A Long-Term Study on Achievable Energy Output’).

Um die Machbarkeit der Technologie zu untersuchen, hatte das Team zehn Solarmeßgeräte konstruiert, die am Arm getragen werden. Sie enthielten Solarzellen mit einer Fläche von 3,6 cm², was klein genug für eine Implantation ist, und konnten die Ausgangsleistung der Zellen messen. Um die Eigenschaften der Haut und ihre Auswirkungen auf das einfallende Licht zu simulieren, bedeckten optische Filter die Zellen.

Während der Versuche, bei denen Freiwillige die Geräte jeweils eine Woche lang zu allen vier Jahreszeiten trugen, zeigte sich, daß unabhängig von der Jahreszeit selbst die Person, die die geringste Leistung erzielte, im Durchschnitt immer noch 12 µW Strom erzeugen konnte, was mehr ist als die 5 - 10 µW, die ein typischer Herzschrittmacher benötigt. Die über den gesamten Untersuchungszeitraum ermittelte mittlere Leistung betrug 67 µW (= 19 µW/cm²).

Die neue, einsehbare Studie des koreanischen Teams unter dem Titel ,Active photonic wireless power transfer into live tissues’ bietet nun erstmals Daten über die zu erwartende reale Leistungsabgabe von subkutan implantierten Solarzellen. Der neue Ansatz kann mit einer aktiven photovoltaischen Fläche von 11,1 mm² in Innenräumen oder im Freien eine ausreichende Leistung von 74,1 μW/cm² bereitstellen.

Eine weitere Untersuchung, die im Juli 2020 erscheint und von  Wissenschaftlern der Universität Warschau und der AGH Wissenschaftlich-Technische Universität in Krakau stammt, befaßt sich mit der Entwicklung eines neuen, lichtbetriebenen Mikrogreifers - eine optische Zange - aus Flüssigkristall-Elastomer-Mikrostrukturen, der der kleinste der Welt sein soll, was anhand des Vergleichs mit einem Ameisenkopf auch glaubhaft ist.

Um das experimentelle Gerät zu bauen, werden zwei optischen Fasern wie die Läufe einer doppelläufigen Schrotflinte nebeneinander angeordnet. Jede Faser hat einen Durchmesser von 125 µm, was ungefähr der Breite eines menschlichen Haares entspricht. Außerdem sind die Spitzen beide Fasern mit einem Flüssigkristall-Elastomer (LCE) beschichtet. Werden die Fasern anschließend von ihren nicht LCE-haltigen Enden aus mit UV-Licht bestrahlt, so polymerisiert das Elastomer und bildet dauerhaft zwei längliche, kegelförmige Strukturen.

Wird nun sichtbares grünes Licht durch dieselben Fasern geleitet, absorbieren die LCE-Kegel die Energie, biegen sie sich aufeinander zu und halten alles fest, was sich zwischen ihnen befindet. Sie bleiben in diesem geschlossenen Zustand, solange das grüne Licht einwirkt, öffnen sich aber wieder, sobald es abgeschaltet wird.

Im Oktober folgt eine Studie von Biomedizintechnikern der Pennsylvania State University (Penn State) um Daniel J. Hayes und Adam B. Glick über eine neue Möglichkeit der Krebsbehandlung, bei der ein speziell entwickeltes Nanopartikel nach seiner Aktivierung durch Licht gezielt Tumorgewebe angreifen kann (,Photocontrolled miR-148b nanoparticles cause apoptosis, inflammation and regression of Ras induced epidermal squamous cell carcinomas in mice’).

Das Nanopartikel macht sich die natürlichen Eigenschaften der als microRNA (miRNA) bekannten Moleküle zunutze, die die Produktion wichtiger Proteine, die die Krebszellen zum Überleben benötigen, hemmen, wenn sie auf ein anderes Schlüsselmolekül treffen, die Boten-RNA (mRNA). Da dieser Prozeß jedoch überall im Körper in allen Arten von Geweben ablaufen kann, ist es ein großer Fortschritt, die miRNA nur am Ort der Krebszellen in Aktion zu setzen, um sie selektiv abzutöten.

Das Team entwickelt dazu Nanopartikel mit einer spezifischen Chemie, die eine Bindung der miRNA-Moleküle an diese ermöglicht. Diese werden dann über eine Infusion in die Hauttumore von Mäusen eingebracht, wo sie sich im Krebsbereich anreichern. Die Partikel werden dann mit einer bestimmten Wellenlänge von Licht bestrahlt, wodurch sich die miRNA von den Nanopartikeln löst und ihre proteinblockierende Wirkung entfaltet.

Mit dieser Technik kann bei einer Gruppe von etwa 20 Mäusen erreicht werden, daß sich die Hauttumore innerhalb von 24 - 48 Stunden vollständig zurückbilden, wobei die Therapie auch verhindert, daß die Tumore wieder wachsen. Die Technik ist besonders wirksam, weil sie die Krebszelle an mehreren Stellen angreift, indem sie an verschiedene mRNAs anknüpft. Dieser mehrgleisige Ansatz könnte auch dazu beitragen, das Problem der Resistenz der Krebszellen gegen die Behandlung zu lösen.

Ebenfalls im Oktober 2020 berichten John Parker und seine Kollegen der University of Chicago über ihre Versuche, die Kraft von Licht in der Nanotechnologie praktisch zu nutzen. Für ihr Experiment gaben sie Silber-Nanopartikel von 150 nm Durchmesser in Wasser und richteten dann einen zirkulär polarisierten Laserstrahl mit einer Wellenlänge von rund 600 nm auf sie. Das Licht dieses Lasers schwingt damit in nur einer Ebene, deren Ausrichtung sich aber ständig dreht.

Die Forscher hatten schon früher festgestellt, daß der Einfluß der Photonen des ,drehenden’ Lichts bestimmte Nanopartikel dazu bringt, sich gegen dessen Polarisationsrichtung zu drehen. Das Licht übt ein negatives Drehmoment auf die Objekte aus - und wie in einem Getriebe führt seine Rotation in die eine Richtung dazu, daß sich der winzige Nanorotor in die andere Richtung dreht. Mit dem Ziel, sich selbst organisierende Nanomaschinen zu bauen, die in herkömmlichen Umgebungen wie in Raumtemperatur-Flüssigkeiten arbeiten, geht das Team einen Schritt weiter, denn das Licht soll nicht nur die einzelnen Nanopartikel bewegen – es soll sie auch zu einer winzigen Maschine zusammenfügen.

Als die Forscher ihren Laser anschalten, beginnen die Silber-Nanopartikel im Wasser tatsächlich, sich zu einem geordneten Gebilde zusammenzufügen. Ähnlich wie in einer Laserfalle erzeugt der Lichtstrahl eine Art Feld, das die zuvor ungeordnet umherschwimmenden Nanopartikel sortiert und zu einem gemeinsam reagierenden Gebilde verbindet.

Dadurch entsteht eine Art Nanomaschine mit Lichtantrieb: Werden diese verkoppelten Nanopartikel weiterhin polarisiertem Laserlicht ausgesetzt, beginnen sie, sich koordiniert und gerichtet zu drehen. Dabei stammen sowohl die Energie für die Montage der Maschine als auch die Kraft für ihre Bewegung allein aus dem Licht. Wie effektiv das Licht die Nanomaschine drehen kann, hängt dabei auch von der Zahl der beteiligten Nanopartikel ab. So sind Ensembles aus acht Nanopartikeln effizienter als solche aus sieben.

Parker und seine Kollegen arbeiten bereits an größeren und komplexeren Versionen ihrer lichtgetriebenen Nanomaschine, in denen sie unter anderem mehrere ,Getriebe’ miteinander kombinieren wollen. Praktische Anwendung wären beispielsweise lichtgetriebene Nanopumpen oder Systeme zur automatisierten Sortierung von Partikeln. Der Bericht ,Optical matter machines: angular momentum conversion by collective modes in optically bound nanoparticle arrays’ ist im Netz einsehbar.

Einen Monat später, im November 2020, berichten die Fachblogs, daß der 27-jährige Ingenieurstudent Carvey Ehren Maigue von der Mapúa University auf den Philippinen den mit 40.000 $ dotierten ersten Preis für Nachhaltigkeit bei den diesjährigen James Dyson Awards gewonnen hat - für seine AuREUS (Aurora Renewable Energy & UV Sequestration) genannte Erfindung, die es anderen Geräten ermöglicht, UV-Licht zu sammeln und in Strom umzuwandeln.

Die Erfindung hat ihren Namen von der Aurora Borealis, dem Nordlicht, da sie von dessen Physik inspiriert ist: Dabei absorbieren lumineszierende atmosphärische Partikel hochenergetisches UV-Licht, das dann in ein energieärmeres sichtbares Licht zerfällt, das die Zuschauer verzaubert.

Die organischen lumineszierenden Verbindungen von Maigue, die hochenergetische ultraviolette Strahlen in sichtbares Licht verwandeln, werden aus verrottendem Obst und Gemüse gewonnen und können in verschiedene Formen gebracht werden, indem sie in Harzplatten suspendiert werden. Das zurückgestrahlte Licht wird an die Ränder der Platten reflektiert, wo es mit Hilfe dort angebrachter Solarzellen in Strom umgewandelt wird.

AuREUS kann z.B. in Form von Platten an Fenstern und Wänden angebracht werden und ist auch dann wirksam, wenn es nicht direkt der Sonne zugewandt ist, da es UV-Strahlung durch Wolken oder von Wänden, Bürgersteigen und anderen Gebäuden reflektiert aufnehmen kann. Es wird erwartet, daß Paneele dieses Typs in der Lage sind, während 50 % der Tageszeit Energie zu produzieren. Anzumerken wäre nur, daß das Institut für Festkörpermechanik der Fraunhofer Gesellschaft (später: Fraunhofer IWM) in Freiburg bereits 1976 begonnen hatte, Floureszenzlicht-Zellen zu entwickeln, während das Massachusetts Institute of Technology (MIT) im Jahr 2008 ein System namens Luminescent Solar Concentrator vorstellt, um nur einige Beispiele für frühere, ähnliche Technologien zu nennen.

Forscherteams des INM – Leibniz-Institut für Neue Materialien, der Universität des Saarlandes, der Universität Straßburg in Frankreich und des Georgia Institute of Technology in Atlanta publizieren im Juni 2021 eine gemeinsame, im Netz einsehbare Arbeit unter dem Titel ,Optoregulated force application to cellular receptors using molecular motors’. Inspiriert von lebenden Zellen, die Kräfte mittels Proteinketten und durch die Wirkung zellinterner ,Motoren’ erzeugen, nutzt die Projektgruppe einen künstlichen, rein synthetischen Motor und entwickelt ein spezielles, lichtgesteuertes Material, um eine Mechanotransduktion zu erreichen.

Mechanotransduktion nennen Experten den Prozeß, wenn externe mechanische Impulse von Zellen wahrgenommen und in biochemische Signale umgewandelt werden, die dann wiederum bestimmte Eigenschaften der Zellen regulieren. Dieser Prozeß hat Einfluß auf wichtige Zellfunktionen wie Vermehrung, Bewegung oder programmierten Zelltod und ist entscheidend für Gewebebildung und -reparatur.

Das neue lichtgesteuerte Material enthält eine Vielzahl von winzigen Rotoren, die über Polymerketten zwischen einer Oberfläche und den Zell-Rezeptoren eingebunden sind und mittels UV-Licht aktiviert werden. Die so erzeugte Kraft kann in Abhängigkeit von Wellenlänge und Dauer der Bestrahlung reguliert werden und reicht aus, um über die Zellrezeptoren eine biochemische Reaktion zu erzeugen.

In Zusammenarbeit mit der Universitätsklinik Homburg wird unter anderem gezeigt, daß es möglich ist, spezielle Immunzellen, die sogenannten T-Zellen, durch die lichtgesteuerten molekularen Motoren gezielt zu aktivieren. Zudem wird eine neue Methode mit hoher Durchsatzrate entwickelt, um die Kraft zu messen, die diese Motoren auf die Zellen ausüben.

Im Juli 2021 veröffentlichen Forscher der der Northwestern University in Tucson und der University of Arizona unter der Leitung von Prof. Philipp Gutruf eine Arbeit über die Entwicklung neuer Instrumente für die Optogenetik, bei der bestimmte Neuronen im Gehirn mit Licht bestrahlt werden, um ihre Aktivität zu erregen oder zu unterdrücken. Optogenetische Experimente zielen auf ein besseres Verständnis der Funktionsweise des Gehirns ab und ermöglichen es, potentielle Heilmittel für Krankheiten wie neurodegenerative Erkrankungen zu entwickeln und zu testen.

In der im Netz einsehbaren Studie ,Wireless, battery-free, subdermally implantable platforms for transcranial and long-range optogenetics in freely moving animals’ wird das erste kabellose transkranielle optogenetische Simulationsgerät beschrieben, das Licht durch den Schädel senden kann und damit eine nahtlose Optogenetik im Gehirn ermöglicht, ohne dafür in den Schädel oder das Hirngewebe eindringen zu müssen.

Die neue transkranielle Technik wird mit einem kabellosen und batterielosen Gerät durchgeführt, das so dünn wie ein Blatt Papier und etwa halb so groß wie ein Zehncentstück ist und direkt unter die Haut implantiert wird. Eingeführt in den Patienten wird zudem ein lichtempfindliches Protein, das sich an bestimmte Neuronen im Gehirn anlagert. Das Gerät sendet dann Lichtimpulse nur an diese Neuronen, um ihre Aktivität zu modulieren.

Die Wissenschaftler betrachten ihre Entwicklung als eine Vorläufertechnologie, die eines Tages dazu beitragen könnte, Krankheiten wie Epilepsie oder chronische Schmerzen ohne invasive Eingriffe und andauernde Einnahme von Medikamenten zu behandeln. Bis die Technologie für den Menschen verfügbar ist, wird es aber noch dauern. Insbesondere müssen Fortschritte bei den Methoden zur Einführung lichtempfindlicher Proteine in das menschliche Gehirn und die Peripherie erzielt werden. In der Zwischenzeit verbessert der Durchbruch die Möglichkeiten, Probanden unter natürlicheren Bedingungen zu untersuchen, denn ohne invasive Sonden wird die optogenetische Forschung leichter zugänglich.

Ebenfalls im Juli erscheint der Bericht eines Teams der Chalmers University of Technology unter der Leitung von Prof. Mikael Käll über die Konstruktion winziger Metavehikel, die durch Lichtwellen angetrieben und gelenkt werden (,Microscopic metavehicles powered and steered by embedded optical metasurfaces’).

Die Herstellung der Fahrzeuge geschieht, indem mikroskopisch kleine Partikel mit Meta-Oberflächen beschichtet werden, die als sorgfältig entworfene und geordnete Nanopartikel beschrieben werden, die darauf zugeschnitten sind, „Licht auf interessante und ungewöhnliche Weise zu lenken.“

Nachdem die fertigen Metawagen in einer flachen Wasserschale plaziert werden, richten die Wissenschaftler mit einem lose fokussierten Laser eine ebene Lichtwelle auf sie. Es stellt sich heraus, daß es durch Variation der Intensität und Polarisation des Lichts nicht nur möglich ist, die Fahrzeuge anzutreiben, sondern auch ihre Geschwindigkeit zu kontrollieren und sie zu steuern und durch Muster wie eine Acht zu führen. Es gelingt den Metawagen sogar andere Objekte zu transportieren - etwa eine mikroskopisch kleine Styroporkugel, ein Hefeteilchen und ein Staubkorn - indem sie diese vor sich herschieben.

Im Dezember 2021 veröffentlichen Zhiwei Li und Yadong Yin von der University of California - Riverside gemeinsam mit Nosang Vincent Myung von der University of Notre Dame in Indiana den Bericht über ihre Neusbot bezeichnete Entwicklung - benannt nach der Neuston-Kategorie von Organismen, die in einer dünnen Schicht direkt an bzw. unter der Wasseroberfläche leben. Zu diesen zählt auch die Sonderform Epineuston, die nur Organismen umfaßt, die direkt auf der Wasseroberfläche leben - wie der Wasserläufer, ein Insekt, das pulsierende Bewegungen ausführt, um über die Wasseroberfläche zu gleiten.

Die Oszillation spielt eine wichtige Rolle für das Überleben von Lebewesen in sich verändernden Umgebungen, und ihre Erforschung hat viele biomimetische Ansätze für die weiche autonome Robotik inspiriert. Um eine mechanische Oszillation zu schaffen, die bei konstanter Energiezufuhr funktioniert und den Oszillationsmodus aktiv anpassen kann, entwickelt das Team einen dampfbetriebenen photothermischen Oszillator, der unter konstanter Lichteinstrahlung kontinuierliche oder gepulste mechanische Schwingungen ausführt.

Die Schlüsselkomponente des Oszillators besteht aus einem Hydrogel mit Fe₃O₄/Cu-Hybrid-Nanostäbchen, die Licht in Wärme umwandeln und Dampfblasen erzeugen. Auf diese Weise kann eine kontrollierbare Störung des thermomechanischen Gleichgewichts des Oszillators erreicht werden, die je nach Lichtintensität zu einer kontinuierlichen oder gepulsten Schwingung führt. Der Hydrogel-Oszillator wird damit durch Wasser angetrieben und durch Licht ferngesteuert.

Auf der Grundlage dieses weichen ,Dampfmotors’ wird ein 20 mm langer rund 5 mm breiter funktionsfähiger Prototyp entwickelt, dessen Körper die Form einer flachen, schwebenden, dreischichtigen Folie hat. Die obere Schicht besteht aus einem klarem Polyimid-Kunststoff, die mittlere aus einem porösen Hydrogel und die untere aus dem Polymer Polydimethylsiloxan (PDMS). Die Folie ist salztolerant und wiederverwendbar.

Die Eisenoxid- und Kupfernanostäbchen im Hydrogel wandeln Lichtenergie in Wärme um, die das vom Gel absorbierte flüssige Wasser verdampft. Der entstehende Dampf bildet eine Blase im Gel, die mechanischen Druck und Wärmeenergie auf die obere und untere Schicht des Films ausübt. Da das Polyimid der oberen Schicht einen geringeren Wärmeausdehnungskoeffizienten hat als das PDMS der unteren Schicht, biegt sich die Folie nach oben. Sobald die Blase platzt, flacht die Folie wieder ab, biegt sich aber erneut, wenn sich die nächste Blase bildet. So kann sich der Neusbot durch kontinuierliche Schwingungen über die Wasseroberfläche bewegen.

Bei der derzeitigen Laboranordnung, bei der das Licht die Form eines Laserstrahls hat, kann der Roboter eine Höchstgeschwindigkeit von etwa 1,3 mm/s erreichen und durch Ändern des Winkels dieses Strahls dazu gebracht werden, sich nach links oder rechts zu drehen. Eine angedachte makroskopische Umsetzung sind sonnenlichtbetriebene Roboter, die in der Lage sind, über Ölteppiche im Meer zu schwimmen und mit einer vierten Schicht aus ölabsorbierendem Material dabei das Öl aufzusaugen. Die Arbeit ,Light-powered soft steam engines for self-adaptive oscillation and biomimetic swimming’ ist im Netz einsehbar.

Eine Gruppe von Physikern rund um Prof. Bert Hecht von der Universität Würzburg stellt im April 2022 mikrometerkleine Objekte vor, die sich in einer wäßrigen Umgebung mit Laserlicht nicht nur effizient antreiben, sondern auch präzise steuern lassen. Ihre Entwicklung startete schon 2016 und basiert darauf, die Rückstoßkräfte zu nutzen, die Lichtteilchen verursachen, wenn sie ein Objekt verlassen (,Light-driven microdrones’).

Um diesen Effekt praktisch umzusetzen, stellen die Wissenschaftler winzige Drohnen her, die nicht größer als ein rotes Blutkörperchen sind. Bei dem Design orientiert sich das Team sich an der Fortbewegung gewöhnlicher Flugdrohnen, bei denen vier unabhängige Rotoren eine vollständige Kontrolle der Bewegungen ermöglichen. Solche Steuermöglichkeiten eröffnen viele neue Optionen für die gewöhnlich äußerst schwierige Handhabung von Nano- und Mikroobjekten, zum Beispiel beim Zusammenbau von Nanostrukturen.

Die Mikro-Drohnen bestehen aus einer transparenten Polymerscheibe von 2,5 µm Durchmesser, in welche bis zu vier unabhängig steuerbare Lichtmotoren aus stabförmigen Goldpartikeln eingebettet sind. Diese basieren auf in Würzburg entwickelten optischen Antennen – also auf winzigen metallischen Strukturen mit Abmessungen im Bereich der Lichtwellenlänge –, die nun speziell für den Empfang von zirkular polarisiertem Licht optimiert werden. Dadurch können die Motoren unabhängig von der Orientierung der Drohne das Licht empfangen, was entscheidend für die Anwendbarkeit ist. Eine seitliche Einkerbung hilft dabei, die Ausrichtung der Scheibe zu erkennen.

In einem weiteren Schritt wird die empfangene Lichtenergie vom Lichtmotor in bestimmte Richtungen seitlich abgestrahlt, um einen Rückstoß zu erzeugen. Dies geschieht sowohl in Abhängigkeit des Drehsinns der Polarisation (mit oder gegen den Uhrzeigersinn) als auch zwei verschiedener Lichtwellenlängen. Indem die Motoren mit vier verschiedenen Strahlungsarten bestrahlt werden, können diese selektiv aktiviert werden. Und aufgrund der sehr kleinen Masse der Drohnen können dabei extreme Beschleunigungen erreicht werden.

Entscheidend für die Funktion der Nanodrohnen ist die äußerst präzise Herstellung der Nanomotoren, bei der sich Helium-Ionen zur Strukturierung von einkristallinem Gold als optimal erweisen. Der Drohnenkörper selbst wird mittels Elektronenstrahllithografie hergestellt.

In weiteren Experimenten soll für die Drohnensteuerung nun eine Rückkopplungsschleife implementiert werden, um externe Einflüsse automatisch korrigieren zu können. Weiterhin wird daran gearbeitet, die Steuermöglichkeiten zu vervollständigen, um auch die Höhe der Drohnen über der Oberfläche zu kontrollieren. Und natürlich ist es ein weiteres Ziel, Werkzeuge mit ausgewählten Funktionen an den Mikrodrohnen anzubringen.

Forscher der Technischen Universität Wien um Prof. Aleksandr Ovsianikov publizieren im Mai 2022 den Bericht über eine neue Methode, um einzelne Zellen mit Laserpräzision an die richtige Stelle zu leiten. Das Hydrogel, in dem sich die Zellen befinden, wird mit speziellen Molekülen angereichert, die dann mit einem Laserstrahl aktiviert werden. Genau an diesen Stellen wird das Hydrogel dann weicher und durchlässiger.

Im Experiment werden mit dem Laserstrahl bestimmte Wege im Hydrogel vorgegeben – und tatsächlich bewegen sich die Zellen dann genau auf diesen Pfaden. Sogar stern- oder gitterförmige Zellstrukturen lassen sich damit herstellen. Die Arbeit mit dem Titel ,Guiding cell migration in 3D with high-resolution photografting’ ist im Netz einsehbar.

Wissenschaftler der Sichuan University und der Northwestern Polytechnical University in China stellen im Juni 2022 eine neue Lösung zur Beseitigung der Mikroplastikverschmutzung vor - in Form von eines lichtaktivierten fischähnlichen Roboters, der sich im Wasser bewegen und dabei kleine Plastikpartikel aufsaugen kann. Da sich aus Hydrogelen und Elastomeren hergestellte weiche Roboter in Umgebungen wie kontaminierten rauhen Gewässern nicht so gut bewähren, wenden sich die Wissenschaftler um Xinxing Zhang dem Verbundmaterial Perlmutt zu, das einige Weichtiere wie z.B. Muscheln als Schicht für ihre innere Schale absondern.

Dieses Material weist einen mikroskopischen Gradienten auf, der von einem Mineral-Polymer-Verbund aus Kalziumkarbonat auf der einen Seite zu einer anderen Seite mit einem Füllstoff aus Seidenprotein übergeht. Das Team kann diese Struktur nachahmen, indem es zusammengesetzte Nanoblätter aus Molekülen mit hydrophobem Inneren und hydrophilem Äußeren zusammen mit sulfoniertem Graphen herstellt. Diese Nanoblätter werden mit unterschiedlichen Konzentrationen von Polyurethanlatex-Mischungen dotiert und dann Schicht für Schicht zusammengesetzt, um einen geordneten Gradienten zu erzeugen, der dem des Perlmutt ähnelt.

Daraus wird dann ein fischförmiger Roboter mit einer Länge von nur 15 mm geformt, der eine hohe Flexibilität und Haltbarkeit aufweist. Durch schnelles Ein- und Ausschalten eines Nahinfrarot-Lasers, der auf den Schwanz des Fisches gerichtet ist, wird dieser zum Flattern gebracht, was den Roboter mit einer maximalen Schwimmgeschwindigkeit von 2,67 Körperlängen pro Sekunde vorwärts treibt.

Im Experimenten zeigt das Team, daß der Roboter wiederholt Polystyrol-Mikroplastik aufnehmen und an andere Orte transportieren kann. Außerdem kann er sich selbst heilen, nachdem er z.B. geschnitten wurde, ohne seine Adsorptionsfähigkeit zu beeinträchtigen (,Robust, Healable, Self-Locomotive Integrated Robots Enabled by Noncovalent Assembled Gradient Nanostructure’).

Ein Team des Georgia Institute of Technology um Alper Erturk publiziert im Juli 2022 die einsehbare Studie ,Photo-responsive hydrogel-based re-programmable metamaterials’, die sich mit einem neuartigen programmierbaren Metamaterial unter Verwendung von stimulierend reagierenden Hydrogelen befaßt. Konkret wird ein photoempfindlicher Hydrogelstrahl entworfen, der durch gemusterte Lichtbestrahlung eine umprogrammierbare Periodizität in den geometrischen und materiellen Eigenschaften zeigt.

Im Oktober folgt der Bericht über einen experimentellen Herzschrittmacher, der Licht zur schmerzfreien Defibrillation nutzt. Das kabellose und batterielose Gerät besteht aus vier Segmenten dünner, flexibler Folie, die das Herz wie Blütenblätter umschließen und winzige blaue LEDs enthalten, um dieses im Bedarfsfall zu stimulieren.

Normalerweise korrigieren Herzschrittmacher Herzrhythmusstörungen, indem sie dem gesamten Herzen einen Elektroschock versetzen - was schmerzhaft sein kann. Die neue Umsetzung der Optogenetik genannten Technologie zielt hingegen nur auf Kardiomyozyten ab, also die Zellen des Muskels, die die Kontraktion auslösen, während schmerzempfindliche Bereiche ausgespart werden.

Die LEDs sowie die Sensoren, die das Herz überwachen, beziehen ihren Strom aus einem thermoelektrischen Generator, der die Körperwärme nutzt. Solche Geräte werden weiter unter noch ausführlich besprochen. Der neue Herzschrittmacher verfügt zudem über einen Computer, der mit verschiedenen Algorithmen gefüttert ist, die je nach Art der Störung unterschiedliche Zellen mit Licht gezielt aktivieren. Auch der Artikel ,Wireless, fully implantable cardiac stimulation and recording with on-device computation for closed-loop pacing and defibrillation’ ist im Netz einsehbar.

Kontextbezogen ist anzufügen, daß im Februar 2024 auch die University of Chicago (UChicago) einen ultradünnen, minimal-invasiven und mit Hilfe einer optischen Faser durch Licht gesteuerten Herzschrittmacher vorstellt, der von einem Team um Bozhi Tian entwickelt worden ist (,Monolithic silicon for high spatiotemporal translational photostimulation’).

Im Juni 2023 startet am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) ein neues Labor unter der Leitung von Prof. Bartholomäus Pieber, das die Kraft des sichtbaren Lichts als Energiequelle für die synthetische Chemie nutzbar machen soll. Das Team des PieberLab wird sowohl innovative chemische Reaktionen entwickeln, die durch Licht angetrieben werden, als auch nachhaltige Strategien für die Synthese von Feinchemikalien wie etwa Pharmazeutika.

Damit sichtbares Licht für eine chemische Reaktion nutzbar ist, werden Photokatalysatoren benötigt, die zumeist auf Edelmetallen wie Ruthenium oder Iridium basieren. Um die Verfügbarkeit, die Kosten und die Toxizität von Edelmetallen zu umgehen, konzentriert sich die Forschungsgruppe auf die Entwicklung von billigeren und nachhaltigeren Photokatalysatoren, unter anderem aus halbleitenden Materialien oder Polymeren.

Neben der Suche nach geeigneten Katalysatoren, untersucht das PieberLab, wie Licht mit unterschiedlichen Wellenlängen genutzt werden kann, um mit maßgeschneiderten Photokatalysatoren selektiv chemische Reaktionen auszulösen und zu steuern. So kann je nach Farbe des Lichts zwischen verschiedenen Reaktionsergebnissen umgeschaltet werden. Daneben soll auch das Starten chemischer Reaktionen mit Licht innerhalb des Körpers untersucht werden, z.B. zur Fernaktivierung eines inaktiven Arzneimittels (Arzneimittelvorläufer) an der richtigen Stelle im Körper oder die direkte Herstellung eines aktiven Arzneimittels aus Bausteinen mit Hilfe von Licht.

Ebenfalls im Juni berichten Wissenschaftler der Technischen Universität München, die mit Kollegen des Deutschen Zentrums für Herz-Kreislauf-Forschung (DZHK) und der Yale School of Medicine in Connecticut zusammenarbeiten, über die Entwicklung von etwa 30 µm großen Mikrorobotern, die im Verbund navigieren und einzelne Zellen gezielt stimulieren können. Das Team um die Professorin Berna Özkale Edelmann hat zudem eine technologische Plattform entwickelt, mit der in einem Produktionslauf bis zu 10.000 dieser Mikroroboter hergestellt werden können (,A Laser Driven Microrobot for Thermal Stimulation of Single Cells’).

Die runden TACSI-Mikroroboter (Thermally Activated Cell-Signal Imaging) sind halb so dick wie ein Haar, enthalten Nano-Goldstäbchen und den orange fluoreszierenden Farbstoff Rhodamin-B, sind umgeben von einem Biomaterial, das aus Algen gewonnen wird und können sich – angetrieben von Laserlicht – zwischen Zellen bewegen. Dies erfolgt durch die 25 x 90 nm kleinen Goldzylinder, die die Eigenschaft haben, sich durch die Bestrahlung mit Laserlicht sehr schnell aufzuwärmen und auch schnell wieder abzukühlen.

Die Nanoteilchen können auf bis zu 60°C erwärmt werden, wobei es nur wenige Millisekunden dauert, um den Roboter um fünf Grad zu erhitzen. Durch die Konvektion, d.h. den automatischen Temperaturausgleich der Nanoteilchen, setzt sich der Roboter mit einer Höchstgeschwindigkeit von 65 µm/s in Bewegung. Der Roboter ist ein bildbasiertes System, das exakt zu dem Ort fährt, an dem Zellvorgänge erforscht werden sollen, und das in der Lage ist, einzelne Zellen oder Zellverbünde gezielt zu erwärmen und dadurch zu aktivieren. Durch weitere Forschungen werden nun neue therapeutische Ansätze angestrebt – etwa indem durch die Mikroroboter Wirkstoffe in die Zelle geschleust werden.

Wie im Juli 2023 bekannt wird, haben Forscher der University of Colorado, Boulder, den nächsten Schritt in der Entwicklung photomechanischer Materialien getan, indem sie mit Hilfe von Nanokristallen ein neuartiges Material entwickelt haben, das Licht in eine mechanische Kraft umwandelt, die das 1.000-fache ihrer Masse anheben kann, und damit die Tür für drahtlose, ferngesteuerte Systeme öffnet, die ohne Wärme oder Strom funktionieren und Roboter oder Fahrzeuge antreiben.

Photomechanische Materialien sind darauf ausgelegt, Licht direkt in mechanische Kraft umzuwandeln und sind das Ergebnis eines komplexen Zusammenspiels von Photochemie, Polymerchemie, Physik, Mechanik, Optik und Technik. Hierbei werden photomechanische Aktuatoren, also der Teil einer Maschine, der physische Bewegungen ermöglicht, immer beliebter, da eine externe Steuerung einfach durch die Veränderung der Lichtverhältnisse erreicht werden kann.

Ein Problem bei photochemischen Materialien ist jedoch die Nutzung von Bewegungen auf molekularer Ebene, um eine groß angelegte mechanische Reaktion zu erzeugen. Dazu müssen die reaktiven Moleküle so angeordnet sein, daß sie alle in dieselbe Richtung stoßen. Dies wird in der Regel durch die Verwendung eines geordneten Wirtsmaterials wie einem Flüssigkristallpolymer oder durch die geordnete Selbstorganisation von Molekülen zu einem Kristall erreicht.

In ihrem nicht einsehbaren Artikel ,Photo-actuators via epitaxial growth of microcrystal arrays in polymer membranes’ berichten die Wissenschaftler um Ryan Hayward über ihre Lösung der Probleme, die bei früheren photomechanischen Materialien mit kristallinen Festkörpern auftraten, die ihre Form als Reaktion auf eine photochemische Reaktion ändern: Sie zerbrachen oft, wenn sie dem Licht ausgesetzt wurden, und ließen sich nur schwer zu nützlichen Aktoren verarbeiten.

Die Forscher verwenden statt dessen Anordnungen winziger organischer, aus Diarylethen gewonnener Kristalle als photoaktive Komponente, die in das Polymermaterial Polyethylenterephthalat (PET) mit mikroskopisch kleinen Poren eingebettet sind. Da die Kristalle in den Poren wachsen, wird ihre Haltbarkeit und Energieproduktion bei Lichteinwirkung erheblich verbessert. Darüber hinaus wird durch ihre Einschließung in die Poren verhindert, daß sie bei Lichteinwirkung zerbrechen.

Das neue Verbundmaterial kann um 180° gebogen werden, ohne zu brechen oder seine photomechanische Reaktion zu beeinträchtigen, und läßt sich beim Wechsel zwischen UV- und sichtbarem Licht reversibel biegen und entbiegen. Zudem sind die Kristalle in der Lage, Licht in mechanische Arbeit umzuwandeln, ohne Wärme oder Elektrizität. Bei Experimenten zum Heben von Gewichten wird festgestellt, daß die 0,02-mg-Kristallanordnung einen 20-mg-Nylonball anheben kann.

Als nächste Schritte sollen die Effizienz gesteigert und eine bessere Kontrolle über die Bewegung des Materials erreichen werden, das derzeit nur durch Biegen und Entbiegen von einem flachen in einen gekrümmten Zustand übergehen kann.

Ein Team der TU München, das diesmal mit Kollegen der Norwegian University of Science and Technology und des Politecnico di Torino um Prof. Emiliano Descrovi zusammenarbeitet, veröffentlicht im Oktober 2023 die im Netz einsehbare Studie ,Polarization-driven reversible actuation in a photo-responsive polymer composite’, in welcher sie freistehende 3D-Aktuatoren vorstellen, die in der Lage sind, reibungslos mehrere Konfigurationsänderungen zu vollziehen, einschließlich Verdrehung, Einrollen, greifähnlicher Betätigung und sogar kontinuierlicher, drehpunktloser Formrotation, die alle durch einen Laserstrahl mit einer einzigen Wellenlänge und kontrollierter Polarisation gesteuert werden.

Die Aktuatoren bestehen aus amorphen Nano-/Mikropartikeln aus Azopolymeren, die in eine weiche, gummiartige Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol-Matrix (SEBS) mit hoher Dichte eingebettet sind. In dem resultierenden isotropen Azo-SEBS-Verbundwerkstoff werden kumulative Verformungen durch reversible Formwechsel ersetzt - mit zwei reversiblen Freiheitsgraden, die durch die Polarisation des Schreibstrahls definiert sind.

Bei Bestrahlung mit linearer Polarisation übertragen die Azopolymerteilchen ihre anisotrope Dehnung entlang der Polarisationsrichtung auf die Gesamtmatrix und erzeugen so eine kontrollierte Verformung. Die Studie beinhaltet eine detaillierte Analyse der lokalen Verformung in der Ebene von dünnen Verbundschichten aus Azo-SEBS, die auf Polydimethylsiloxan (PDMS)-Platten abgeschieden wurden. Sowohl SEBS als auch PDMS sind ransparente Materialien. Die Abbildung zeigt die Verformung von Azopolymer-Mikrodomänen bei linear polarisierter Laserbestrahlung.

Ebenfalls im Oktober berichtet ein Team des Massachusetts Institute of Technology (MIT) um Gang Chen über die Entdeckung eines überraschenden, neuen Phänomens, das in Anlehnung an den bekannten photoelektrischen Effekt den Namen photomolekularer Effekt bekommt.

Im Gegensatz zum bisherigen Wissen stellte sich nämlich heraus, daß Wärme nicht unbedingt notwendig ist, um Wasser verdampfen zu lassen. Tatsächlich kann auch Licht allein Wasser verdampfen - direkt am Übergang zwischen Wasser und Luft - und dabei sogar effizienter sein als Wärme. Da die Entdeckung bereits ausführlich im Kapitelteil der solaren Entsalzung beschrieben ist, muß sie hier nicht wiederholt werden.

Im April 2024 präsentiert ein Team um Katherine Villa vom Katalanischen Institut für Katalyse (ICIQ) in Tarragona neuartige Mikromotoren auf Basis von Silbersalzen, die nur Licht als Energie für ihre Fortbewegung benötigen und bei der Trinkwasseraufbereitung Bakterien abtöten sollen, vor allem die resistenten Escherichia-coli- und Staphylococcus-aureus-Stämme, die unter anderem Wundinfektionen bis hin zur Sepsis und andere Infektionen auslösen können. Die einsehbare Studie trägt den Titel ,Self-Degradable Photoactive Micromotors for Inactivation of Resistant Bacteria’.

Nach Angaben des Centers for Disease Control and Prevention (CDC) in den USA waren diese antimikrobiell resistente Superbakterien im Jahr 2019 weltweit für fast 5 Mio. Todesfälle verantwortlich. Silbersalze sind bereits vor mehr als 3.000 Jahren in Griechenland zur Wundheilung eingesetzt worden. Ihr Gebrauch nahm ab, nachdem Alexander Fleming im Jahr 1928 das Penizillin entdeckt hatte, das erste Antibiotikum. Nun gewinnen sie erneut Wichtigkeit im Kampf gegen behandlungsresistente Infektion.

Die neuen Mikromotoren enthalten Silberphosphat und haben die Form von Tetrapoden, also Körpern mit vier Armen oder Stacheln, die jeweils 5 µm lang sind. Sie werden daher Tetrapod Ag₃PO₄ Micromotors (TAMs) genannt. Wenn diese TAM-Nanokristalle ins Wasser gelegt und dem Licht ausgesetzt werden, beginnen sie sich aufzulösen, wobei sie sich aufgrund der Photokatalyse - also wenn Licht eine Reaktion beschleunigt - drehen und autonom durch die Flüssigkeit bewegen.

Dies geschieht, indem das Silberphosphat mit dem Wasser reagiert, was die sehr reaktionsfreudigen Moleküle Sauerstoff, Silberionen und freie Radikale freisetzt. Gemeinsam sorgen sie dafür, daß sich die TAMs quasi durch Rückstoß vorwärtsbewegen. Gleichzeitig töten die freigesetzten Radikale und Silberionen die im Wasser vorhandenen Bakterien, indem sie deren Membranen beschädigen, so daß sie verkümmern und absterben. Die von den Mikromotoren freigesetzten Silberionen werden zu Silber-Nanopartikeln, die sich durch Filtration leicht zurückgewinnen und wiederverwenden lassen.

Im August 2024 berichten Forscher der ETH Zürich um  Prof. Máté Bezdek, daß sie einen Sensor entwickelt haben, der aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen besteht und mit Hilfe von Licht selbst kleinste Mengen Sauerstoff aufspüren kann. Der Artikel ,A Dye-Sensitized Sensor for Oxygen Detection under Visible Light’ ist im Netz einsehbar.

Der Sensor basiert auf einem Chemiresistor-Prinzip. Dabei ändert sich der elektrische Widerstand eines Materials, wenn es mit einem bestimmten Gas in Kontakt kommt, was sich auch sehr einfach messen läßt. Als Sensormaterial wählt das Forschungsteam einen Verbund aus Titandioxid und Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Titandioxid ist ein bewährter Chemiresistor, benötigt jedoch hohe Temperaturen für eine effektive Reaktion. Die Integration der Nanoröhrchen ermöglicht es, den Sensor bei Raumtemperatur zu betreiben.

Eine zusätzliche Optimierung wird durch die Nutzung von Farbstoffsolarzellen-Prinzipien erreicht, indem Fotosensibilisatoren für die Lichtaktivierung des Sensors sorgen. Unter grünem Licht überträgt der Sensibilisator Elektronen auf das Nanoröhrchen-Titandioxid-Gemisch und macht es spezifisch für Sauerstoff. Das Vorkommen von Sauerstoff behindert diesen Ladungstransfer und verändert so den Widerstand des Materials.

Der Sensor ist nicht nur besonders empfindlich, sondern auch kompakt, energieeffizient und langlebig. Das macht ihn besonders interessant für mobile Anwendungen. Zukünftig soll das Konzept auf weitere Gase erweitert werden. Besonders im Fokus stehen Schadstoffe auf Stickstoffbasis, die in der Landwirtschaft zur Überdüngung beitragen und die Umwelt belasten. Die Technologie wurde bereits zum Patent angemeldet. Nun suchen die Forscher Industriepartner, um den Sensor zur Marktreife zu bringen.

Forscher der Universität Genf (UNIGE) um Prof. Monica Gotta und Prof. Nicolas Winssinger berichten im Februar 2025 über ihre Arbeit an einer Methode, um Medikamente mit Hilfe eines kurzen Lichtimpulses gezielt dort zu aktivieren, wo sie benötigt werden. Die Studie ,Spatio-temporal control of mitosis using light via a Plk1 inhibitor caged for activity and cellular permeability’ ist im Netz einsehbar.

Um Proteine, die für die Zellteilung essentiell sind, gezielt zu steuern, nimmt das Team das Plk1-Protein in den Fokus und sucht nach einer Möglichkeit, dieses zu hemmen. Hierzu wird ein Molekül entwickelt, das das Plk1-Protein hemmt, jedoch nur dann aktiv wird, wenn es durch Lichtimpulse ausgelöst wird. Es basiert auf der chemischen Modifikation eines Inhibitors, dessen aktive Stelle mit einem Cumarinderivat blockiert wird.

Wird der Inhibitor mit Licht bestrahlt, entfernt sich das Cumarin und der Wirkstoff wird aktiv. Da neben der gezielten Aktivierung auch die Präzision der Positionierung entscheidend ist, wird dem Molekül ein spezieller Anker hinzugefügt, der es ermöglicht, den Inhibitor genau an der gewünschten Stelle im Körper zu fixieren. Dadurch läßt sich der Inhibitor mit demselben Lichtpuls aktivieren und gleichzeitig an der Zielzelle verankern.

Ebenfalls im Februar meldet ein Forscherteam des Hefei Institutes of Physical Science der Chinesischen Akademie der Wissenschaften unter der Leitung von Prof. Xingyou Tian und Prof. Xian Zhang einen Durchbruch bei der Entwicklung photothermischer Aktoren. Die Forscher hatten einen neuartigen Flüssigmetall/Polyimid/Polydimethylsiloxan (LM@PI/PDMS)-Aktuator mit einer ,Superstruktur’ entwicklt, der schnelle Bewegungen mit einer hohen Belastbarkeit kombiniert, wie sie bei früheren Aktorentwürfen nicht erreicht wurde.

Besonders interessant ist, daß das Design das mikrovaskuläre Netzwerk von Blattadern nachahmt, wobei die Laserätzung verwendet wird, um geordnete, komplizierte Graphengräben innerhalb der LM@PI-Filme zu erzeugen. Diese Gräben werden dann mit PDMS eingekapselt, um einen programmierbaren Aktuator herzustellen, der die schnelle Reaktion von leichten Materialien mit der Belastbarkeit von dickeren Materialien kombiniert. Die neuen photothermischen Aktoren weisen eine außergewöhnliche Leistung auf, einschließlich einer Tragfähigkeit, die das 190-fache ihres Gewichts beträgt, sowie einer schnellen Oszillationsfrequenz von 19 Hz.

Das Team demonstrierte das Potential des neuen Aktuatordesigns, indem es einpolige Umschalter und Hochgeschwindigkeitsoszillatoren konstruiert - sowie einen fotoaktivierten ,Roboterhund’, der stehen, krabbeln, springen und sogar schwimmen kann. Der nicht einsehbare Bericht trägt den Titel ,Leaf Vein-Inspired Programmable Superstructure Liquid Metal Photothermal Actuator for Soft Robots’.

 

Weiter mit dem Magnetfeld...