Erster Nanorotor gebaut

Kleinster synthetischer Motor der Welt

In der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftjournals Nature stellen US-Physiker ihren Zwergenmotor aus Nanoröhren vor

Die Welt des Winzigen fasziniert und erschreckt zugleich (vgl. Je kleiner, desto giftiger). Ein Nanometer misst gerade mal ein Millionstel Millimeter. In der Zwergenwelt gelten andere Gesetze und ihre verblüffende Eigenschaften versprechen die Technik zu revolutionieren. Im vergangenen Jahrhundert hat die zunehmende Miniaturisierung elektronischer Geräte die menschliche Kommunikation, die industrielle Verarbeitung, das Transportwesen und die Datenverarbeitung grundlegend verändert. Jetzt kommt die nächste Generation: Geräte in der Größe von Molekülen, die künftig in Nanoelektronik integriert werden sollen.

In Nature präsentieren A.M. Fennimore, T. D. Yuzvinsky, Wei-Qiang Han, M. S Fuhrer, John Cumings und Alex Zettl von der University of California den von ihnen entwickelten, bislang kleinsten synthetischen Motor der Welt.

"Die Nanowelt ist seltsam - andere Fakten dominieren", meint Zettl.

Die Schwerkraft spielt überhaupt keine Rolle und Trägheitseffekte sind im Grunde irrelevant, weil alles so klein ist - weshalb die restlichen elektrischen Felder eine dominante Rolle spielen.

Noch ist die biologische Welt überlegen, denn in der Natur gibt es höchst effektive und zugleich winzigste Nanomotoren (vgl. Wie funktioniert der kleinste Motor der Welt?), deren Prinzipien inzwischen von Bioingenieuren übernommen wurden (vgl. Constructing Biological Motor Powered Nanomechanical Devices), aber die Gruppe um Fennimore hat einen elektrisch betriebenen Rotor geschaffen, den ersten Nanorotor, der auf einem Silizium-Chip gebaut und betrieben wird. Im Gegensatz zu Nanobiomotoren kann das Bauelement auch im Vakuum und über einen größeren Frequenz- und Temperaturbereich betrieben werden.

Er besteht aus einem bis zu 300 Nanometer langen Rotorblatt aus Gold, das sich auf einer mehrwandigen Kohlenstoff-Nanoröhre befindet, die als Achse fungiert (Siehe animiertes Elektronenmikroskop-Bild des Rotors). Gold-Elektroden verbinden das Gerät mit dem Silizium-Chip. Die Achsenlänge beträgt nur 40 Nanometer. Der Nanomotor ist so klein, dass er auf dem Rücken eines Virus reiten könnte, insgesamt hat er einen Durchmesser von 500 Nanometer, das ist 300 mal schlanker als ein menschliches Haar. Das Gerät ist schlicht und unkompliziert zu handhaben, denn Position und Rotationsgeschwindigkeit lassen sich einfach durch Anlegen einer kleinen Spannung kontrollieren.

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

Der Motor ist insgesamt 500 Nanometer groß, die Forscher gehen aber davon aus, ihn in nächster Zukunft noch bis zu fünf Mal verkleinern zu können. Die Rotorblätter sind 100 bis 200 Nanometer lang, während die Kohlenstoffröhrchen, die als Schaft dienen, nur einige Atome breit ist, mit einer Dicke von 5-10 Nanometern.

Zettl erläutert, was an diesem Nanomotor revolutionär ist:

Er ist das erste Gerät, wo man externe Drähte anlegen und etwas rotieren lassen kann - etwas, das man kontrolliert. Wir treiben hier eine Menge verschiedener Technologien bis zum Äußersten.

Die neuen Nanomotoren könnten verschiedene praktische Anwendungen finden. Als ein Beispiel nennen die Wissenschaftler optische Schalter in Netzen von Lichtsignalen. Noch gilt es erst einige Probleme zu lösen. Eine unerwartete Schwierigkeit ergab sich zum Beispiel aus der mangelnder Genauigkeit bei der Messung der Geschwindigkeit. Das Rasterelektronenmikroskop des Teams konnte nur alle 33 Millisekunden eine Aufnahme machen, deshalb können sie nicht exakt sagen, ob und wie viele Male schneller der Rotor dreht. Bestätigen lassen sich so nur 30 Umdrehungen pro Sekunde. Sie vermuten, dass es potenziell sehr viel mehr Rotationen sind, aber das müssen weitere Forschungen erst bestätigen.