Zwergenpaddel

Viel Schwung in der Nanomechanik

Klein, kleiner, nano. Alles, was sich im winzigen Bereich eines milliardstel Meters oder eines millionstel Millimeters, also eines Nanometers bewegt, fasziniert zurzeit die Wissenschaft. Die Technik aus der Zwergenwelt (Nano bedeutet im Griechischen Zwerg) verspricht eine Revolution, die bereits mit der Erfindung der Dampfmaschine oder der Entdeckung der Elektrizität verglichen wurde.

Eine Menge Forschungsmittel fließen an Wissenschaftler, die sich mit der radikalen Miniaturisierung elektronischer und mechanischer Bauteile beschäftigen. Ziel sind Geräte in der Größe von Molekülen.

Zu winzigen Bruchstücken verkleinert, entwickeln Materialien ganz neue Eigenschaften. Die Nanotechnologie hat längst den realen Markt erobert, zum Beispiel in Form von Reinigungsmitteln, Golfbällen, Sonnencreme und Farben (vgl. Nano sells), obwohl viele der winzigen Partikeln hochgiftig sind und nach wie vor heftig über die Folgen ihrer Freisetzung in Haushalten und der Natur gestritten wird (vgl. Heftige Diskussion um Nanotechnologie).

Ein besonders vielversprechender Nano-Baustoff sind Kohlenstoff-Nanoröhrchen (vgl. Der exotische Beat der Nanoröhrchen). Sie bestehen aus einer oder mehreren konzentrischen, zylinderförmigen Kohlenstoffschichten. Ihre Kohlenstoffatome sind wie ein Gerüst von Sechsecken zu lang gestreckten Hohlzylindern geformt. Nanotubes sind winzig, aber trotzdem extrem reißfest, elastisch und ermüdungsfrei. Sie können sowohl als elektronische Bauteile wie als Drähte verwendet werden

Schema eines auf einem einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufgehängten beweglichen Metallblocks. Wird der Metallblock gedreht, verformt sich das Nanoröhrchen und funktioniert als Torsionsfeder. Bild: Max-Planck-Institut für Festkörperforschung

Forscher des Max-Planck-Instituts für Festkörperforschung in Stuttgart und von der Université de Montpellierhaben jetzt eine nanomechanische, molekularer Achse entwickelt, über die ein Zwergenpaddel aus Metall angetrieben wird. Sie stellen ihr winzige mechanische Komponente (Single-Molecule Torsional Pendulum) in der aktuellen Ausgabe des Wissenschafsmagazins Science vor.

Das Team um Jannik C. Meyer setzte einwandige Nanoröhrchen ein, die sich besonders gut für elektronische Anwendungen eignen. Ihr Durchmesser entspricht mit einem Durchmesser von ein bis drei Nanometern etwa dem der DNS-Doppelhelix. Die Forscher hängten lithografisch erzeugte Metallblöcke an einem einzelnen Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf und ließen ihn rotieren. Der winzige Metallblock kann durch ein elektrisches Feld bewegt werden, wobei das Nanoröhrchen als molekulare Achse dient, die durch Torsion deformiert wird. Alles hängt dabei an nur wenigen molekularen Bindungen: Auf einem Querschnitt durch eine Kohlenstoff-Nanoröhre liegen nur etwa 20 Kohlenstoff-Bindungen; die genaue Struktur der Röhrchen bestimmten die Wissenschaftler durch Elektronenbeugung.

Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme eines beweglich aufgehängten Objekts. Eine allein durch die thermische Energie angeregte Torsionsschwingung ist als unscharfe Kante zu erkennen. Die stark vergrößerte Abbildung rechts oben zeigt das rohrförmige Molekül, auf dem der Metallblock befestigt ist. Es hat einen Durchmesser von nur 1,5 Nanometer und ist somit kleiner als die Doppelhelix der DNA. Der Maßstab entspricht 200 Nanometer - im vergrößerten Ausschnitt 2 Nanometer. Bild: Max-Planck-Institut für Festkörper

Die Mini-Paddel sind unter einem optischen Mikroskop sichtbar, werden aber durch ein fast tausendmal kleineres einzelnes Molekül getragen, das nur in der Vergrößerung des Transmisions-Elektronenmikroskops zu erkennen ist. Das winzige Gerät dient vor allem der Grundlagenforschung, die Forscher können sich aber auch vorstellen, dass derartige Bauteile künftig in nanoelektromechanischen Systemen verwendet werden könnten. Ein Beispiel für eine denkbare praktische Anwendung wären winzige bewegliche Spiegel in optischen Anwendungen, unter anderem für die Telekommunikation. Geeignet sind sie auch als Sensoren, da bereits sehr kleine Kräfte wie die thermische Energie bei Raumtemperatur den Metallblock in der empfindlichen Nano-Aufhängung vibrieren lassen. (Andrea Naica-Loebell)

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