Eine Fiktion wird Forschungsziel
In der Natur ist die Fähigkeit zu aktiver Bewegung auch auf mikroskopischer Ebene weit verbreitet. Beispiele dafür reichen von der bei der Zellteilung auftretenden Chromosomen-Bewegung innerhalb einer Zelle bis zur Fortbewegung von Mikroorganismen. Die Herstellung künstlicher Nano- und Mikroteilchen, die sich selbstständig bewegen können, stellte für lange Zeit ein großes Problem dar. Durch technische Fortschritte der letzten Jahrzehnte verfügen wir jedoch nun über zahlreiche Realisierungen solcher künstlichen „aktiven Teilchen“.
Manche Realisierungen sind bereits so fortschrittlich, dass Anwendungen, die vor einigen Jahren noch dem Bereich der Fiktion zugeordnet wurden, nun zu einem ambitionierten, aber realistischen Forschungsziel geworden sind. Ein Beispiel dafür ist der Einsatz aktiver Teilchen zum zielgerichteten Transport pharmazeutischer Wirkstoffe an ihren Wirkort, durch den die unerwünschten Nebenwirkungen vieler Therapien reduziert werden könnten. Großes Anwendungspotenzial haben auch „aktive Materialien“, die aus einem verformbaren Trägermaterial und darin eingebetteten aktiven Teilchen bestehen. Diese Substanzen bilden eine neue Materialklasse mit einzigartigen und sogar steuerbaren Eigenschaften, die bei gewöhnlichen Materialien nicht auftreten.
Das noch relativ neue und sehr interdisziplinäre Forschungsgebiet der aktiven Teilchen und Materialien bildet den Schwerpunkt der Forschungstätigkeit meiner Arbeitsgruppe. Wir untersuchen unter anderem eine erst vor wenigen Jahren entwickelte Realisierung aktiver Teilchen, die eine besondere Anwendungsrelevanz aufweist. Die Teilchen dieser Realisierung sind biokompatibel und es ist auch bei einem Einsatz in biologischem Gewebe möglich, sie dauerhaft mit Energie zu versorgen und ihre Geschwindigkeit zu kontrollieren. Zurzeit arbeiten wir daran, den noch nicht verstandenen Antriebsmechanismus dieser Teilchen zu erklären, die Eigenschaften der Teilchen für konkrete Anwendungen zu optimieren und eine auch für medizinische Anwendungen geeignete Methode zur gezielten kollektiven Steuerung der Teilchen zu entwickeln. Im Hinblick auf aktive Materialien beinhaltet unsere Arbeit, das Verhalten der Materialien zu verstehen, außergewöhnliche Eigenschaften mit Relevanz für spezielle Anwendungen zu identifizieren und neue aktive Materialien zu entwickeln.
Bei unserer Forschung setzen wir analytische Methoden der theoretischen Physik und Computersimulationen ein. Gleichungen, die wir analytisch herleiten, ermöglichen uns tiefe Einblicke in die physikalischen Zusammenhänge. Simulationen zeigen uns, wie sich ein aktives Teilchen oder Material mit bestimmten von uns vorgegebenen mikroskopischen Eigenschaften verhält. Dabei arbeiten wir eng mit Arbeitsgruppen unter anderem aus der Physik, Chemie, Biologie und Medizin zusammen. Für uns ist es wichtig, unsere mit theoretischen Methoden erzielten Ergebnisse mit Experimenten, die in kooperierenden Gruppen durchgeführt werden, zu vergleichen.
Das SoN hat sich für uns als ein sehr guter Standort erwiesen. Sein modernes Gebäude bietet helle und gut ausgestattete Räume, in denen man hervorragend arbeiten kann. Besonders vorteilhaft ist für die Forschung, dass das SoN zahlreiche Arbeitsgruppen aus unterschiedlichen Fachbereichen und Methodengebieten, die verschiedene Expertisen, aber ähnliche Forschungsinteressen wie wir haben, in einem Gebäude zusammenbringt. Durch den Aufbau des Gebäudes mit kurzen Wegen zwischen den Büro- und Laborräumen unterschiedlicher Arbeitsgruppen sowie von mehreren Gruppen gemeinsam genutzten Küchen und Besprechungsräumen wird der interdisziplinäre Austausch weiter gefördert.
Prof. Dr. Raphael Wittkowski leitet die im Rahmen des Emmy-Noether-Programms von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderte Gruppe „Theorie der aktiven weichen Materie“ am Institut für theoretische Physik der WWU. Er und sein Team erforschen selbstangetriebene Nano- und Mikroteilchen sowie auf ihnen basierende „aktive Materialien“.
Dieser Artikel stammt aus der Universitätszeitung "wissen|leben" Nr. 7, November/Dezember 2018.