{"id":130459,"date":"2023-08-17T07:32:00","date_gmt":"2023-08-17T05:32:00","guid":{"rendered":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/?p=130459"},"modified":"2023-08-14T15:17:37","modified_gmt":"2023-08-14T13:17:37","slug":"bakterien-als-schmiede","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/renewable-carbon.eu\/news\/bakterien-als-schmiede\/","title":{"rendered":"Bakterien als Schmiede"},"content":{"rendered":"\n\n\n

Ein hei\u00dfes Bad bedeutet f\u00fcr viele Menschen Entspannung. F\u00fcr Wissenschafter:innen ist es jedoch ein Ort, an dem sich Molek\u00fcle oder winzige Bausteine treffen, um Materialien zu bilden. Daf\u00fcr ben\u00fctzen Forscher:innen am Institute of Science and Technology Austria (ISTA) sogar die Energie von schwimmenden Bakterien. Wie das funktioniert, und welche potenziellen Nachhaltigkeitsvorteile sich aus diesem innovativen Ansatz ergeben k\u00f6nnten, zeigt eine aktuelle Studie in Nature Physics<\/em><\/a>.\u00a0<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\"Bakterien
Bakterien als Schmiede.\u00a0Wissenschaftler des \u00f6sterreichischen ISTA stellen weiche Materialien aus “Lego”-\u00e4hnlichen Materialien mit der Energie schwimmender Bakterien her. Illustration \u00a9 ISTA<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Man wei\u00df nie, wann einem z\u00fcndenden Ideen kommen. Manchmal entstehen sie an den ungew\u00f6hnlichsten Orten, wie in einer Boulderhalle in Wien. So war es auch bei den beiden ISTA Wissenschaftern Daniel Grober, einem Doktoranden in der Forschungsgruppe des Physikers J\u00e9r\u00e9mie Palacci<\/a>, der daran arbeitete, wie man Materialien mithilfe der Energie schwimmender Bakterien zusammensetzen kann, und Mehmet Can Ucar, einem Postdoc in der Gruppe von Edouard Hannezo<\/a>. Angetrieben von ihrer Leidenschaft f\u00fcr die Wissenschaft und das Klettern, entwickelten sich die Diskussionen in der Turnhalle zu einem Modell von Grobers Experiment. Ihr Konzept faszinierte Ivan Palaia, einen Postdoc in der Gruppe von An\u0111ela \u0160ari\u0107<\/a>, der beschloss, sich dem Projekt anzuschlie\u00dfen.

Gemeinsam machte sich das dynamische Trio an die Arbeit, die nun mit einer heute in Nature Physics<\/em> ver\u00f6ffentlichten Publikation<\/a> ihren H\u00f6hepunkt erreicht. Die Studie zeigt eine neue experimentelle Strategie, die zur Herstellung von Materialien aus kleinen Bausteinen dient. Dabei lie\u00df man sich von der Metallurgie \u2013 der feinen Kunst des Schmiedens, bei der Zyklen hoher Temperatur und langsamer Abk\u00fchlung die Struktur eines Materials festlegen \u2013 inspirieren. Diese Technik wurde auf weiche Materialien \u00fcbertragen, indem die Aktivit\u00e4t von schwimmenden Bakterien in einem Bad genutzt wurde.<\/p>\n\n\n\n

Was sind \u201eactive baths\u201c?<\/h3>\n\n\n\n

In der Forschungsgruppe von J\u00e9r\u00e9mie Palacci am Institute of Science and Technology Austria dreht sich alles um mikroskopische Teilchen. <\/p>\n\n\n\n

\u201eWir arbeiten mit winzigen \u201aLego\u2018-\u00e4hnlichen Bausteinen, die hundertmal kleiner sind als ein Haar. Unser Ziel ist es herauszufinden, wie diese Bausteine zusammenkommen und gr\u00f6\u00dfere Strukturen bilden\u201c, erkl\u00e4rt der Physiker. <\/p><\/blockquote>\n\n\n\n

Wenn die Bausteine im Wasser gel\u00f6st sind, \u201eh\u00fcpfen\u201c sie wahllos Hin und Her, aufgrund der gegebenen Temperatur, die den Teilchen Energie liefert \u2013 ein Ph\u00e4nomen, das erstmals 1905 von Einstein beschrieben wurde und als Brownsche Bewegung bekannt ist.

Um Ordnung in das Chaos zu bringen, kann man dem Wasser einen Z\u00fcndstoff (aus dem Englischen: \u201eActive Agent\u201c) beimischen. Dadurch entsteht ein aktives Bad (\u201eActive Bath\u201c), in dem der Z\u00fcndstoff wie ein kleines Feuer wirkt. Durch diese zus\u00e4tzliche Energie k\u00f6nnte man den Zusammenbau und die Eigenschaften von Materialien steuern \u2013 wie ein Schmied. Ein Ansatz, in dem zum Beispiel Bakterien zum Schmieden verwenden werden, wurde jedoch bis jetzt noch nie erforscht.<\/p>\n\n\n\n

Bakterien \u2013 Das Feuer<\/h3>\n\n\n\n

Palaccis Student Daniel Grober nahm diese Herausforderung an und begann mit der Konstruktion eines solchen von der Metallurgie inspirierten Aktivbads. <\/p>\n\n\n\n

Grober<\/strong> erkl\u00e4rt: \u201eAls Z\u00fcndstoff haben wir E. coli-Bakterien verwendet. Ihre Schwimmbewegungen liefern Energie und Bewegung, die f\u00fcr einen Physiker einer ‘Temperatur’ von 2.000 \u00b0C entspricht \u2013 \u00e4hnlich der, die f\u00fcr die Herstellung von Metallen ben\u00f6tigt wird. Da es aber Bakterien sind und es sich nicht um einen echten Ofen handelt, ist der Prozess sanft genug, um Gele und weichen Materialien herzustellen, ohne sie dabei zu verbrennen.\u201c <\/p><\/blockquote>\n\n\n\n

Die Bausteine waren mikroskopisch kleine Partikel in Form von klebrigen Kolloiden \u2013 runde K\u00fcgelchen, die zusammenkleben, wenn sie in Kontakt kommen.\u00a0

Diese Idee entpuppte sich als Erfolg: Die schwimmenden Bakterien verst\u00e4rkten effektiv die Bewegung der K\u00fcgelchen, sodass sich Aggregate und gelartige Strukturen bildeten.<\/p>\n\n\n\n

\"Ein
Ein aktives Bad mit schwimmenden Bakterien.<\/strong>\u00a0(A) Aggregation (Ansammlung) von klebrigen K\u00fcgelchen in einem thermischen (normalen) Bad oder in einem Bad mit schwimmenden Bakterien. (B) Experimentelle Aggregation im thermischen oder bakteriellen Bad und die visuell unterschiedlichen Gelstrukturen. \u00a9 Palacci Guppe\/Nature Physics<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Tanzen im Takt der Bakterien<\/h3>\n\n\n\n

Die Cluster, die entstanden sind, zeigten verbl\u00fcffende Auff\u00e4lligkeiten. Die Aggregate drehten sich langsam im Uhrzeigersinn. Um dies besser zu verstehen, f\u00fchrte Grober eine statistische Analyse der Bewegung des Systems durch. Diese best\u00e4tigte eine langsame und anhaltende Rotation der Aggregate, die ihren Ursprung in der Uhrzeigersinn-Bewegung (Chiralit\u00e4t) der E. coli-Flagellen hat \u2013 den winzigen F\u00fc\u00dfchen, die die Bakterien in Bewegung halten. Der Forscher vermutete, dass die Rotationsbewegung eine entscheidende Rolle bei der Bildung der von ihm beobachteten unkonventionellen Strukturen hat.<\/p>\n\n\n\n

\"Tanzende
Tanzende Aggregate.<\/strong>\u00a0Das Video zeigt die Rotation der Aggregate im Uhrzeigersinn und ihre Auswirkung auf die Cluster-Bildung. (links: Experiment, rechts: Simulationen). \u00a9 Palacci Gruppe\/Nature Physics<\/figcaption><\/figure><\/div>\n\n\n\n

Grober pr\u00e4sentierte seine Daten in einem w\u00f6chentlichen Meeting. Ivan Palaia war sofort fasziniert und half dabei, das Ph\u00e4nomen aufzukl\u00e4ren. Palaia entwickelte ein minimales Computermodell, um die Chiralit\u00e4t des Bakterienbads zu erfassen, ohne dabei die schwimmenden Bakterien zu simulieren. Die Computersimulationen wurden zun\u00e4chst durch die quantitative Reproduktion der experimentellen Ergebnisse validiert, bevor sie zu einem genaueren Verst\u00e4ndnis des Mechanismus f\u00fchrten. Das Modell best\u00e4tigte die bedeutende Rolle der Rotation bei der Formierung von Gelen, da durch sie bemerkenswerte Strukturen mit ungew\u00f6hnlichen mechanischen Eigenschaften entstehen\u2014solche, die auf konventionelle Weise nicht erreicht werden k\u00f6nnen.<\/p>\n\n\n\n

Ein Blick in die Zukunft<\/h3>\n\n\n\n

Der Einsatz von Bakterienb\u00e4dern zur Herstellung unkonventioneller Materialien ist sehr vielversprechend. Zwar beschr\u00e4nkte sich die Studie auf 2D-Strukturen im Mikrometerma\u00dfstab, doch wurde der Ansatz so konzipiert, dass er sich hochskalieren l\u00e4sst. <\/p>\n\n\n\n

\u201eMit unserem innovativen Ansatz k\u00f6nnte es theoretisch m\u00f6glich sein, 3D-Proben zu konstruieren, die gro\u00df genug sind, dass ich sie in meinen H\u00e4nden halten kann\u201c, f\u00fcgt Palacc<\/strong>i hinzu. <\/p><\/blockquote>\n\n\n\n

Dieser Fortschritt k\u00f6nnte auch die Nachhaltigkeit in der Materialproduktion verbessern, da man statt externe Energiequellen einfach die Energie der Bakterien nutzen kann.\u00a0

Dar\u00fcber hinaus dient die Studie als Konzeptnachweis, der die Grundlage f\u00fcr Palaccis ERC-finanziertem Projekt \u201eVULCAN: matter powered from within\u201c<\/a> bildet, und zeigt einmal mehr, wie wichtig die interdisziplin\u00e4re Zusammenarbeit in der Wissenschaft ist. <\/p>\n\n\n\n

\u201eOhne die vom ISTA gef\u00f6rderte fach\u00fcbergreifende Zusammenarbeit h\u00e4tte unser Projekt niemals diese konzeptionelle und quantitative Tiefe erreicht\u201c, so Palacci<\/strong> abschlie\u00dfend.<\/p><\/blockquote>\n\n\n\n

Publikation<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

D. Grober, I. Palaia, M. C. Ucar, E. Hannezo, A. \u0160ari\u0107 & J. Palacci. 2023. Unconventional colloidal aggregation in chiral bacterial baths.\u00a0Nature Physics<\/em>.\u00a0DOI: 10.1038\/s41567-023-02136-x<\/a><\/strong><\/p>\n\n\n\n

Projektf\u00f6rderung<\/strong><\/h3>\n\n\n\n

Dieses Projekt wurde unterst\u00fctzt mit Mitteln des US Department of Energy (DE-SC0019769) f\u00fcr D. Grober & J. Palacci; des European Union\u2019s Horizon 2020 research and innovation programme (Marie Sk\u0142odowska-Curie Grant) f\u00fcr Ivan Palia; des European Research Council (the European Union\u2019s Horizon 2020 research and innovation programme, Grant No. 802960) f\u00fcr A. \u0160ari\u0107 & des European Union\u2019s Horizon 2020 research and innovation programme (Marie Sk\u0142odowska-Curie Grant Agreement No. 754411) f\u00fcr M. C. Ucar.<\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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