Träge Miniroboter fliegen aus der Kurve

Neues aus der Forschung

Meldung vom 17.12.2018

Forscher der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) nutzen einfache, angetriebene Miniroboter, um die Bewegung kleiner aktiver Teilchen wie Bakterien in einem Medium zu studieren. In der Ausgabe der Zeitschrift Nature Communications vom 4. Dezember 2018 berichten sie, welche Auswirkungen Trägheitskräfte und -momente auf diese Teilchen haben.


181219-2047_medium.jpg
 
Pfad eines 3D-gedruckten Mini-Roboters.
Christian Scholz, Soudeh Jahanshahi, Anton Ldov, Hartmut Löwen
Inertial delay of self-propelled particles
Nature Communications 9, 5156 (2018)
DOI: 10.1038/s41467-018-07596-x


Unter der „Brownschen Molekularbewegung“ versteht man das zufällige Bewegungsbild mikroskopisch kleiner Teilchen, die in einem Medium ständig von umgebenden Molekülen angestoßen werden. Albert Einstein erklärte diese Zusammenhänge zum ersten Mal theoretisch und fand dabei heraus, dass das Bewegungsmuster eines idealisierten Mikroteilchens – entgegen der alltäglichen Erfahrung – nicht von seiner Masse abhängt. Sogar sogenannte „aktive Materie“ – also Teilchen wie Bakterien, die über einen eigenen Antrieb verfügen – sollte sich so verhalten.

Seit Isaac Newton ist aber bekannt, dass jedes Teilchen mit endlicher Masse eine Trägheitskraft erfährt, die der Änderung seiner Bewegung entgegen wirkt. Außerdem besitzen ausgedehnte Körper ein Trägheitsmoment, welches der Änderung der Rotation widersteht. Diese Faktoren machen die Berechnung der Bewegung aktiver Teilchen deutlich komplizierter, weshalb sie in Berechnungen meist vernachlässigt werden.

Physiker vom Institut für Theoretische Physik II der HHU um Dr. Christian Scholz und Institutsleiter Prof. Dr. Hartmut Löwen gaben sich mit dieser Vereinfachung nicht zufrieden und konnten nun erstmals theoretisch und experimentell zeigen, dass die Trägheit für aktive Teilchen relevant ist. In Nature Communications beschreiben sie, dass – wie bereits Einstein herausfand – die Masse für die Bewegung nach einiger Zeit unwichtig wird. Neu ist aber, dass das Trägheitsmoment die Bewegung für alle Zeit beeinflusst. „Ein massives Teilchen kann nicht mehr leicht seine Ausrichtung ändern und bewegt sich so länger in eine Richtung“, erläutert Prof. Löwen.

Ein entscheidender Durchbruch ist bei der Studie die experimentelle Untersuchung der Brownschen Bewegung der aktiven Teilchen. Albert Einstein mutmaßte seinerzeit, dass diese kaum jemals im Experiment direkt zu beobachten sei. Dies lösten die Düsseldorfer Forscher, indem sie stattdessen ein makroskopisches Teilchen nutzten: Einen kleinen, einfachen Roboter, der durch die Vibration des Untergrunds angetrieben werden kann. Durch mikroskopische Unebenheiten im Untergrund wird die Bewegung gestört, so dass Geschwindigkeit und Orientierung des Teilchens fluktuieren – wie durch die Stöße mit andere Teilchen in der Brownschen Molekularbewegung. Seine Bewegungen untersuchten sie mithilfe von Hochgeschwindigkeitskameras.

Die Videos zeigen, dass die Roboter sich nur dann so verhalten, wie von der Theorie vorhergesagt, wenn man ihre Trägheit berücksichtigt. „Bei genauem Hinschauen erkennt man zum Beispiel, dass die Roboter wie Rennwagen von alleine um die Kurve driften; ihre Trägheit sorgt dafür, dass sie quasi aus der Kurve fliegen“, merkt Dr. Scholz an.

Die Ergebnisse der Düsseldorfer Physiker haben praktische Bedeutung, denn das Trägheitsmoment lässt sich zur Bewegungskontrolle von Lebewesen und Fahrzeugen nutzen. Dies wird besonders dann interessant, wenn die äußeren Umstände nicht beeinflussbar sind, wie zum Beispiel bei Luftturbulenzen oder Kollisionen mit Nachbarteilchen. Will man deshalb ein agiles Objekt haben, das leicht um Kurven kommt, so baut man es klein beziehungsweise verlagert seine Masse nach innen. Die Bewegung wird dagegen umso stabiler, je weiter außen die Masse ist oder je größer ein Objekt ist.


Diese Newsmeldung wurde erstellt mit Materialien von idw-online


News der letzten 2 Wochen


Meldung vom 17.01.2019

Wie Moleküle im Laserfeld wippen

Wenn Moleküle mit dem oszillierenden Feld eines Lasers wechselwirken, wird ein unmittelbarer, zeitabhängiger ...

Meldung vom 16.01.2019

Fliegende optische Katzen für die Quantenkommunikation

Gleichzeitig tot und lebendig? Max-Planck-Forscher realisieren im Labor Erwin Schrödingers paradoxes Gedanken ...

Meldung vom 15.01.2019

Kieler Physiker entdecken neuen Effekt bei der Wechselwirkung von Plasmen mit Festkörpern

Plasmen finden sich im Inneren von Sternen, werden aber auch in speziellen Anlagen im Labor künstlich erzeugt ...

Meldung vom 14.01.2019

Vermessung von fünf Weltraum-Blitzen

Ein am PSI entwickelter Detektor namens POLAR hat vom Weltall aus Daten gesammelt. Im September 2016 war das G ...

Meldung vom 14.01.2019

Mit Satelliten den Eisverlust von Gletschern messen

Geographen der FAU untersuchen Gletscher Südamerikas so genau wie nie zuvor.

Meldung vom 14.01.2019

5000 mal schneller als ein Computer

Ein atomarer Gleichrichter für Licht erzeugt einen gerichteten elektrischen Strom. Wenn Licht in einem Halble ...

Meldung vom 14.01.2019

Isolatoren mit leitenden Rändern verstehen

Isolatoren, die an ihren Rändern leitfähig sind, versprechen interessante technische Anwendungen. Doch bishe ...

Meldung vom 10.01.2019

Ionenstrahlzerstäuben - Abscheidung dünner Schichten mit maßgeschneiderten Eigenschaften

Dünne Schichten mit Schichtdicken im Bereich weniger Nanometer spielen eine zentrale Rolle in vielen technolo ...

Meldung vom 10.01.2019

Wie Gletscher gleiten

Der Jülicher Physiker Bo Persson hat eine Theorie zum Gleiten von Gletschereis auf felsigem Boden vorgestellt ...

Meldung vom 08.01.2019

Neue Einblicke in die Sternenkinderstube im Orionnebel

Team unter Kölner Beteiligung zeigt: Winde eines jungen Sternes verhindern die Bildung neuer Sterne in der Na ...

Meldung vom 08.01.2019

Dissonanzen in der Quantenschwingung

Neuartige Quanteninterferenz in atomar dünnen Halbleitern entdeckt.

Meldung vom 07.01.2019

Photovoltaik-Trend Tandemsolarzellen: Wirkungsgradrekord für Mehrfachsolarzelle auf Siliciumbasis

Siliciumsolarzellen dominieren heute den Photovoltaikmarkt aber die Technologie nähert sich dem theoretisch m ...

Meldung vom 07.01.2019

Forscher erzeugen Hybridsystem mit verschiedenen Quantenbit-Arten

Einem japanisch-deutschen Forschungsteam ist es erstmals gelungen, Informationen zwischen verschiedenen Arten ...

Meldung vom 21.12.2018

Mit Quanten-Tricks die Rätsel topologischer Materialien lösen

„Topologische Materialen“ sind technisch hochinteressant, aber schwer zu messen. Mit einem Trick der TU Wi ...

Meldung vom 21.12.2018

Moleküle aus mehreren Blickwinkeln

Lasergetriebene Röntgen-Laborquellen liefern neue Einsichten - Forscher am MBI haben erfolgreich Absorptionss ...

Meldung vom 21.12.2018

Beschreibung rotierender Moleküle leicht gemacht

Interdisziplinäres Wissenschaftlerteam entwickelt neue numerische Technik zur Beschreibung von Molekülen in ...



19.12.2018:
Tanz mit dem Feind
11.12.2018:
Die Kraft des Vakuums
30.11.2018:
Von der Natur lernen
24.11.2018:
Kosmische Schlange


11.05.2018:
Vorsicht, Glatteis!

Newsletter

Neues aus der Forschung