Downscaling dynamic magnetic systems: from microswimmers to nanorotors

Pauer, Christoph (2024): Downscaling dynamic magnetic systems: from microswimmers to nanorotors. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Die Erforschung dynamischer magnetischer Mikro- und Nanosysteme kann zu futuristischen Anwendungen wie kontrollierbarer Botenstofftransport, Zellmanipulation und minimal invasive Operationen führen. Magnetische Systeme für die medizinische Anwendung sind deshalb so vielversprechend, da magnetische Felder in geringer Stärke keinen Einfluss auf biologische Systeme haben. Diese semi-kumulative Doktorarbeit zeigt die Verkleinerung magnetischer Systeme von 100 μm auf 400 nm in drei Schritten: von Mikroschwimmern auf einer Längenskala von 40-100 μm über 2-3 μm große Mikroschwimmer zu 400 nm langen Nanorotoren. Diese Verkleinerung wurde durch die Kombination von DNA Origami und magnetischen Mikro- und Nanoteilchen realisiert. Durch seine beliebe Formbarkeit und chemische Addressierbarkeit kann DNA Origami sowohl als flexibler Schwanz für die Mikroschwimmer benutzt werden, als auch als Schablone zur Positionierung magnetischer Nanoteilchen für magnetische Nanorotoren. Die primären Ergebnisse dieser Dissertation sind im folgenden zusammengefasst: 1. Die vielseitige Herstellungsmethode des weichen Lithographieverfahrens ermöglicht die Erzeugung modularer magnetischer Mikroschwimmer mit verschiedenen Längen von 40-100 μm und verschiedenen Formen der einzelnen Module. Die magnetischen Module werden durch ein statisches magnetisches Feld ausgerichtet und zusammengefügt, anschließend durch ein wackelndes magnetisches Feld zum Schwimmen angeregt. Die Geschwindigkeiten wurden abhängig von der Frequenz des Feldes und der Art des Schwimmers verglichen. Auch das kollektive Verhalten zahlreicher Schwimmer einer Schwimmerart wurde erforscht. 2. Magnetische Mikroteilchen wurden mit DNA Origami Filamenten dekoriert. Wenn ein externes wackelndes magnetisches Feld angelegt wird, zeigen die Teilchen abhängig des Bedeckungsgrades entweder diffuses oder ballistisches Verhalten. Die Orientierung der gerichteten Bewegung kann durch das Ausrichten des magnetischen Dipolmoments des magnetischen Teilchen mit der Bedeckung der Filamente zu einem gewissen Grad kontrolliert werden. 3. Ein einseitig an der Oberfläche befestigtes DNA Origami Filament kombiniert mit magnetischen Nanoteilchen wird mit rotierenden magnetischen Feldern zur Rotation angeregt. Durch die Ermittlung der kritischen Frequenz, wenn viskose und magnetische Kräfte gerade noch im Gleichgewicht sind, kann das magnetische Drehmoment, das auf die Struktur wirkt, berechnet werden. Durch das Anlegen eines statischen magnetischen Feldes ist es möglich die Drehsteifigkeit der Struktur zu bestimmen. Zusätzlich zu den magnetischen Themen beinhaltet diese Arbeit die Datenverarbeitungspipeline um die Farben und Farbveränderung einzelner Teilchen in Abhängigkeit ihrer Polarisation aus Dunkelfeldmikroskopiebildern plasmonischer physikalischer unklonbarer Funktionen zu extrahieren.

Abstract

The research of dynamic magnetic micro- and nanosystem can lead to futuristic applications like targeted drug delivery, cell manipulation and minimal invasive surgery. Magnetic systems are promising for medical applications since biological systems are inert to magnetic fields at low field strength. This semi-cumulative dissertation shows the downscaling of magnetic systems from scales of 40-100 μm to 2-3 μm to 400 nm. The realization of this downscaling was due to the combination of DNA origami and magnetic micro- and nanoparticles. With its variability in design and chemical addressability, DNA origami can serve both as flexible tail for microswimmers and as template to position nanoparticles for nanorotors. The main results of this thesis are as follows: 1. The versatility of a soft lithographic approach enables the production of modular magnetic microswimmers with variable lengths of 40-100 μm. The magnetic modules are aligned and assembled by a static magnetic field, before actuating the swimmers by a wagging magnetic field. The velocities depending on the frequency of the field and type of swimmer were compared. Additional, the collective behavior of one type of swimmers was investigated. 2. Magnetic microbeads were decorated with DNA origami appendages. Depending on the particle’s surface coverage, they displayed ether Brownian or ballistic behavior when applying a wagging magnetic field. The orientation of the ballistic motion can be controlled to a certain degree by aligning the easy axis of the magnetic bead perpendicular to side of the DNA origami attachment. 3. Magnetic nanoparticles were attached to a DNA origami appendage mounted on one side to a surface. To rotate this compound structure, an external rotary magnetic field was applied. By determining the critical frequency of the rotor, where viscous and magnetic forces are still balanced, it is possible to calculated the magnetic torque acting on the structure. Applying a static magnetic field can reveal the rotors torsional stiffness. In addition to the magnetic projects, this thesis includes a data processing pipeline to extract the colors and track the color changes of individual particles depending on the polarization measured via darkfield microscopy for plasmonic physical uncloneable functions.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 6. September 2024
• 1. Bericht­erstatter:in: Liedl, Tim