Physikalische Chemie: Ein Stromgenerator für Nanomaschinen?
Die Energie des Lichts in eine elektrische Spannung umwandeln - nach diesem Prinzip funktioniert die Fotosynthese, arbeiten Solarzellen und entstehen Fotokopien. Auf einen feinen Draht von wenigen Molekülen Durchmesser reduziert, könnten zukünftige Nanomaschinen damit vielleicht ihren Energiehunger stillen.
Die Grundidee ist recht einfach: Man reiße auseinander, was eigentlich zusammengehört, und halte die Teile sorgfältig voneinander getrennt. Erst dann, wenn man zur Erledigung irgendeiner Aufgabe etwas zusätzlichen Antrieb benötigt, gestatte man ihnen, sich wieder zu vereinen – im Gegenzug für eine gewisse Arbeitsleistung, versteht sich. Ein Spielchen, das sich in Physik, Chemie und Biologie höchster Beliebtheit erfreut, um Prozesse durchzuziehen, die freiwillig kaum oder gar nicht ablaufen würden. Wobei die erzwungen getrennten Partner in der Regel positive und negative Ladungen sind, der Akku also mit einer elektro(chemischen) Potenzialdifferenz aufgeladen wird.
Der Haken an diesem genialen Trick ist nur, dass Plus und Minus sich natürlich nicht so ohne weiteres voneinander separieren lassen. Es bedarf dafür schon eines gehörigen Maßes an Gewalt, sprich: Energie. Und ausgeklügelter Sicherungsmechanismen obendrein, denn sonst stürzen die beiden sich gleich nach der Trennung wieder aufeinander und rekombinieren für biologische und technische Zwecke viel zu früh und völlig nutzlos.
Für ihre biologischen Schützlinge hat die Evolution zu diesem Zweck raffinierte Komplexe aus Proteinen, Farbstoffen und Hilfsmolekülen entwickelt. Ihre Fotosysteme fangen die Photonen des Lichts, spalten mit deren Energie Elektronen aus Spendermolekülen ab und reichen die Ladungen unverzüglich über flinke Hände weiter. Ganz ähnlich arbeiten auch Solarzellen, diese jedoch auf Basis weniger kompliziert aufgebauter und weniger effizienter Halbleiter. Eine universell nutzbare Energie liefern sie jedenfalls beide.
Was für den Einsatz in lebenden Zellen oder großen Dachanlagen geeignet ist, hat als Energielieferant zukünftiger Kleinstgeräte unüberwindbare Nachteile. Biologische Fotosysteme wären für künstliche Nanotechnik einfach zu kompliziert und wartungsintensiv und klassische Fotovoltaik schlicht zu groß und grob. Was den Maschinchen im Maßstab von millionstel oder gar milliardstel Metern fehlt, sind lichtbetriebene Generatoren, die winzig sind, sich praktisch selbst aufbauen und gut Anschluss an die arbeitenden Teile finden. Kurz: genau solche Nanodrähte, wie sie ein japanisches Forscherteam um Yohei Yamamoto vom Aida Nanospace Project nun vorgestellt hat.
Basis für die supramolekularen Drähtchen sind organische Bausteine, mit einem umfangreichen Kohlenstoffringsystem, das chemisch als Hexabenzocoronen (HBC) bezeichnet wird. Über kurze Ketten ist es mit einem oder zwei kleineren Ringsystemen, den Trinitrofluorenonen (TNF) verbunden. Lässt man diese Monomere unter den richtigen Bedingungen größere Komplexe bilden, finden sie sich von selbst zu hohlen Röhrchen zusammen, in denen die TNF-Anteile die innere und äußere Schicht stellen und den HBC-Körper umgeben. Nur 16 Nanometer Durchmesser haben diese Nanoröhrchen, können aber mehrere Mikrometer Länge erreichen.
Das Entscheidende geschieht, sobald ultraviolettes oder sichtbares Licht auf die elektrisch schlecht leitenden Röhrchen fällt. Die HBC-Schicht absorbiert die Strahlung und gibt ein Elektron an die TNF-Ummantelung ab. Dadurch erhöht sich die Leitfähigkeit dramatisch, denn das zurückbleibende "Loch" ist in dem gestapelten Ringsystem äußerst beweglich. Im Prinzip sollte es einem hungrigen Verbraucher nicht schwer fallen, die lichtgetriebene Ladungstrennung als Energielieferant zu nutzen. Im Prinzip – denn so weit ist die Forschung der Japaner noch nicht fortgeschritten.
Aber im Moment erwartet ja auch niemand ein fertiges Antriebsaggregat. Schließlich hadern Nanotechniker bislang mit dem Zusammenbau ihrer winzigen Bauteile zu einem Kleinstmaschinchen. Wenn sie das eines Tages in den Griff kriegen sollten, wird vermutlich auch der Lichtgenerator fertig sein. Und dabei könnte es sich dann durchaus um einen Nachfolger des aktuellen HBC-TNF-Drähtchens handeln.
Der Haken an diesem genialen Trick ist nur, dass Plus und Minus sich natürlich nicht so ohne weiteres voneinander separieren lassen. Es bedarf dafür schon eines gehörigen Maßes an Gewalt, sprich: Energie. Und ausgeklügelter Sicherungsmechanismen obendrein, denn sonst stürzen die beiden sich gleich nach der Trennung wieder aufeinander und rekombinieren für biologische und technische Zwecke viel zu früh und völlig nutzlos.
Für ihre biologischen Schützlinge hat die Evolution zu diesem Zweck raffinierte Komplexe aus Proteinen, Farbstoffen und Hilfsmolekülen entwickelt. Ihre Fotosysteme fangen die Photonen des Lichts, spalten mit deren Energie Elektronen aus Spendermolekülen ab und reichen die Ladungen unverzüglich über flinke Hände weiter. Ganz ähnlich arbeiten auch Solarzellen, diese jedoch auf Basis weniger kompliziert aufgebauter und weniger effizienter Halbleiter. Eine universell nutzbare Energie liefern sie jedenfalls beide.
Was für den Einsatz in lebenden Zellen oder großen Dachanlagen geeignet ist, hat als Energielieferant zukünftiger Kleinstgeräte unüberwindbare Nachteile. Biologische Fotosysteme wären für künstliche Nanotechnik einfach zu kompliziert und wartungsintensiv und klassische Fotovoltaik schlicht zu groß und grob. Was den Maschinchen im Maßstab von millionstel oder gar milliardstel Metern fehlt, sind lichtbetriebene Generatoren, die winzig sind, sich praktisch selbst aufbauen und gut Anschluss an die arbeitenden Teile finden. Kurz: genau solche Nanodrähte, wie sie ein japanisches Forscherteam um Yohei Yamamoto vom Aida Nanospace Project nun vorgestellt hat.
Basis für die supramolekularen Drähtchen sind organische Bausteine, mit einem umfangreichen Kohlenstoffringsystem, das chemisch als Hexabenzocoronen (HBC) bezeichnet wird. Über kurze Ketten ist es mit einem oder zwei kleineren Ringsystemen, den Trinitrofluorenonen (TNF) verbunden. Lässt man diese Monomere unter den richtigen Bedingungen größere Komplexe bilden, finden sie sich von selbst zu hohlen Röhrchen zusammen, in denen die TNF-Anteile die innere und äußere Schicht stellen und den HBC-Körper umgeben. Nur 16 Nanometer Durchmesser haben diese Nanoröhrchen, können aber mehrere Mikrometer Länge erreichen.
Das Entscheidende geschieht, sobald ultraviolettes oder sichtbares Licht auf die elektrisch schlecht leitenden Röhrchen fällt. Die HBC-Schicht absorbiert die Strahlung und gibt ein Elektron an die TNF-Ummantelung ab. Dadurch erhöht sich die Leitfähigkeit dramatisch, denn das zurückbleibende "Loch" ist in dem gestapelten Ringsystem äußerst beweglich. Im Prinzip sollte es einem hungrigen Verbraucher nicht schwer fallen, die lichtgetriebene Ladungstrennung als Energielieferant zu nutzen. Im Prinzip – denn so weit ist die Forschung der Japaner noch nicht fortgeschritten.
Aber im Moment erwartet ja auch niemand ein fertiges Antriebsaggregat. Schließlich hadern Nanotechniker bislang mit dem Zusammenbau ihrer winzigen Bauteile zu einem Kleinstmaschinchen. Wenn sie das eines Tages in den Griff kriegen sollten, wird vermutlich auch der Lichtgenerator fertig sein. Und dabei könnte es sich dann durchaus um einen Nachfolger des aktuellen HBC-TNF-Drähtchens handeln.
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