Atomare Unruh liefert Strom für Nanomaschinen

Nanomaschinen sollen uns Unsterblichkeit verleihen - doch was treibt sie an?

Sie sind die große Hoffnung der Medizin, sollen Unsterblichkeit eröffnen, lösen all unsere Energieprobleme - und bilden zugleich das vielleicht größte Risiko für unser Überleben: winzige Maschinen in der Größe einiger Millionstel Millimeter, die aus nur wenigen Molekülen bestehen. Forscher konstruieren bereits fleißig an den künftigen Bestandteile dieser „Geräte“, sie bauen Motoren oder Getriebe und erkunden Wirkmechanismen. Die Frage, was Nanomaschinen antreiben könnte, ist allerdings noch weitgehend ungeklärt.

Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme eines Feldes von Zinkoxid-Nanodrähten, auf einem Saphir-Substrat gezüchtet. Bild: Zhong Lin Wang, Georgia Institute of Technology

Die Forscher Zhong Lin Wang und Jinhui Song vom Georgia Institute of Technology in Atlanta stellen nun diese Woche im Wissenschaftsmagazin Science einen Nano-Generator vor (doi:10.1126/science.1124005), der genau die passende Größe hat, ebensolchen Maschinchen Spannung zu liefern.

Den Generator könnte man als eine Art Unruh im Nanoreich einsetzen, denn er wandelt mechanische in elektrische Energie um. Wang stellt sich vor, dass die Erfindung etwa Muskelbewegungen, durch Schallwellen angeregte Vibrationen oder gar die hydraulische Energie von Körperflüssigkeiten ausnutzen könnte. Dazu nutzt der Nano-Generator den piezoelektrischen Effekt, bei dem die mechanische Belastung eines Kristalls eine elektrische Spannung hervorruft (und umgekehrt). Die Verformung des Materials erzeugt in diesem nämlich winzige elektrische Dipole - über den kompletten Kristall gemessen stellt man eine Spannung fest.

Schema des experimentellen Nanogenerators - die Spitze des Rasterkraftmikroskops (dunkelblau) verformt den ZnO-Nanodraht. Bild: Zhong Lin Wang, Georgia Institute of Technology

In ihrer Science-Veröffentlichung beschreiben Wang und Song den Aufbau ihres Generators genauer: Er besteht aus einem ganzen Feld winziger Drähten aus Zinkoxid, wie es gern in Sonnenschutzmitteln Verwendung findet. Da es in biologischen Systemen kaum toxisch wirkt, ließe es sich gut in Bio-Maschinen einsetzen. Zinkoxid ist sowohl halbleitend als auch piezoelektrisch - beide Eigenschaften sind für das Funktionieren des Generators wichtig.

Wenn die Tastspitze eines Rasterkraftmikroskops die Zinkoxid-Nanodrähte mit einer Kraft von 5 Millardstel Newton biegt (das ist, grob gerechnet, die Anziehungskraft des Erdmondes auf ein 1-Kilo-Gewicht auf der Venus, wenn diese dem Mond am nächsten steht), baut sich in ihnen eine Spannung auf. Allerdings flössen diese gleich wieder ab, wäre Zinkoxid nicht auch ein Halbleiter. Zwischen der metallischen Tastspitze und dem Halbleiter Zinkoxid baut sich nämlich ein Schottky-Übergang auf, der den Übertritt der Ladungsträger verhindert. Wang und Song maßen dabei Spannungen bis zu 9 Millivolt, daraus berechneten sie eine Generator-Effektivität zwischen 17 und 30 Prozent. Diese hohe Effektivität führen sie darauf zurück, dass Nanodrähte unverhältnismäßig starken Verformungen ausgesetzt werden können.

Während der Bewegung des Rasterkraftmikroskops über die Nanodrähte gemessene piezoelektrische Entladungsspannungen. Bild: Zhong Lin Wang, Georgia Institute of Technology

Auch in größerem Umfang nutzbare Spannungen versprechen sich Wang und Song, wenn es ihnen gelingt, aus Millionen von Zinkoxid-Nanodrähten bestehende Felder aufzubauen. Diese könnte man auf Metallfolien, aber auch auf biegsamen organischen Substraten oder Halbleiter-Untergründen wachsen lassen. Mit Blick auf einen der Hauptfinanziers solcher Forschung stellt sich Wang eine konkrete Anwendung derart vor:

In einer Schuhsohle würden unsere Nanogeneratoren im Wortsinn laufend Energie produzieren - Soldaten im Einsatz, die heute noch Batterien benötigen, könnten ihre Ausrüstung in Zukunft einfach durch Bewegung mit Strom versorgen.

(Matthias Gräbner)

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