Translations- und Rotationsbewegung von magnetischen Janus Partikeln in dynamisch transformierten magnetischen Feldlandschaften

Verschiedenste Bewegungsdynamiken von asymmetrisch gestalteten, magnetischen Mikropartikeln können über eine prototypische Technologieplattform kontrolliert adressiert werden, um somit der gezielten Anwendung in zukünftigen Lab-on-a-chip Systemen einen Schritt näher zu kommen.

Janus Partikel, benannt nach dem römischen, zweigesichtigen Gott Janus, zeichnen sich im Allgemeinen durch zwei unterschiedlich gestaltete Partikelhälften aus. Aufgrund der daraus entspringenden hohen Variabilität in den Partikeleigenschaften eröffnet sich ein breites Anwendungsspektrum. So können magnetische Janus Partikel in sogenannten Westentaschenlaboren (engl. Lab-on-a-chip) eingesetzt werden. Hierbei sollen medizinische Analyse- und Diagnoseverfahren, die für gewöhnlich unter hohem Zeitaufwand in Großlaboren durchgeführt werden, miniaturisiert und innerhalb eines Chipsystems mit Abmessungen im Zentimeter-/Millimeter-Bereich kostengünstig und schnell realisiert werden.

Um der Verwirklichung dieser neuartigen Technologie den Weg zu bereiten, haben wir das Bewegungsverhalten von magnetischen Janus Partikeln in dynamisch transformierten, mikroskaligen Magnetfeldlandschaften untersucht. Die Janus Partikel bestehen hierbei aus mikrometergroßen Glassphären, welche durch Beschichtung mit einem metallischen Dünnschichtsystem eine magnetische Halbschale als Kappe erhalten.

Magnetische Janus Partikel, die sich durch eine Dünnschicht-Kappe (braun) mit gerichtetem magnetischen Moment auszeichnen, können innerhalb einer mikroskaligen, maß-geschneiderten magnetischen Feldlandschaft kontrolliert bewegt werden. Der Ursprung der Feldlandschaft liegt dabei in einem magnetischen Streifendomänenmuster, welches über eine Ionenbeschuss induzierte magnetische Strukturierung des verwendeten Substrats erzeugt wird. Durch Verwendung von externen Magnetfeldpulsen konnte eine gerichtete Translationsbewegung der Partikel, überlagert mit definierten Partikelrotationen, induziert und über ein gezieltes Tracking-Verfahren charakterisiert werden.

Über den gezielten Einsatz des Austauschverschiebungseffekts (engl. Exchange Bias) zeichnet sich die Kappe durch ein räumlich gerichtetes magnetisches Moment aus. Hieraus ergibt sich im Vergleich zu herkömmlich untersuchten superparamagnetischen Partikeln ein Vorteil für die Verwendung von Janus Partikeln: Zusätzlich zu einer Translationsbewegung können die Partikel über angelegte Magnetfelder rotiert werden, womit ein zusätzlicher Freiheitsgrad in der Kontrolle der Partikelbewegung gegeben ist. Dies konnte in dieser Arbeit unter Verwendung einer prototypischen magnetischen Streufeldlandschaft und überlagerten externen Magnetfeldpulsen demonstriert werden. Zeitlich hochaufgelöste, mikroskopische Aufnahmen der Partikelbewegung enthüllten zusätzlich unter Anwendung eines optimierten Partikeltracking-Verfahrens eine vergleichsweise hohe Transportgeschwindigkeit der Partikel. Angesichts der Flexibilität, Translation und Rotation der Partikel potentiell über die Wahl von geeigneten experimentellen Parametern getrennt zu steuern, konnten wir die zukünftige Anwendung in Lab-on-a-chip  Systemen weiter unterstreichen.

 

R. Huhnstock et al., Scientific Reports11 21794 (2021)
DOI: 10.1038/s41598-021-01351-x

Dr. Rico Huhnstock
AGE – Funktionale dünne Schichten