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Nanotechnik: Ferngesteuertes U-Boot

Immer ausgeklügeltere Maschinchen bescheren uns die Nanotechniker. Jetzt gelang es ihnen, ein winziges, ferngesteuertes "U-Boot" zu bauen.
Wie ihre normalgroßen Vorbilder auch, brauchen Maschinen und Roboter im Nanomaßstab Motoren um zu funktionieren. Bereits vor einiger Zeit hatte ein Team von der Pennsylvania State University einen pfiffigen Antrieb entwickelt, um nanoskopische Metallstäbchen "in Fahrt" zu bringen – allerdings irrten diese winzigen "U-Boote" bisher in willkürlicher Richtung durch die Flüssigkeit.

Doch die Forscher um Ayusman Sen ließen sich nicht beirren und konstruierten ein "Nachfolgemodell", das regelrecht ferngesteuert werden kann. Wie funktionieren diese lenkbaren nanoskopischen U-Boote?

Nano-U-Boot | Das Nano-U-Boot besteht aus einem Metallstab aus Gold, Nickel und Platin. Das Platin-Ende setzt Sauerstoff katalytisch um und dient so als Antrieb. Über ein äußeres Magnetfeld lässt sich das Stäbchen orientieren und damit ferngesteuert lenken.
Beachten Sie hierzu auch das Video unter "Medien".
Wichtig war zunächst einmal der "gestreifte" Aufbau der Nanostäbchen aus verschiedenen Metallen: Ein Ende aus Gold, ein sehr schmaler Nickel-Streifen, ein Streifchen Gold, wieder ein sehr schmaler Nickel-Streifen und das andere Ende aus Platin. Das Platin-Ende war für den Antrieb zuständig, denn hier wurde der "Treibstoff" umgesetzt. Als Treibstoff diente in der Lösung enthaltenes Wasserstoffperoxid, das an Platin katalytisch umgesetzt wird. Dabei entstand Sauerstoff, der sich in der Flüssigkeit löste.

Die stark sauerstoffhaltige Lösung in der Umgebung des Platin-Endes war weniger polar als die Flüssigkeit, die das andere Ende des Stäbchens umgab – die so genannte Grenzflächenspannung zwischen Lösung und Metalloberfläche war dadurch an den beiden Stab-Enden nicht mehr gleich groß: Das Stäbchen wurde regelrecht in Richtung des sauerstoffhaltigen Flüssigkeitsbereichs gezogen. Da ständig Sauerstoff nachgebildet wurde, blieb der Gradient erhalten, und der Stab wanderte mit dem Platin-Ende voran durch die Flüssigkeit. Die Orientierung der Stäbchen in der Lösung war willkürlich, die Bewegung insgesamt damit ungerichtet.

Nun kam die "Fernsteuerung" ins Spiel, ein äußeres Magnetfeld: Als "Empfangsantenne" dienten die zuvor magnetisierten Nickel-Streifchen der Stäbe. Der besondere Trick dabei: Die Breite der Nickel-Streifen musste geringer sein als ihr Durchmesser, damit die Stäbchen statt in Längs- in Querrichtung magnetisiert werden konnten. Schalteten die Chemiker das Magnetfeld an, ordneten sich die Stäbchen senkrecht zu dessen Feldlinien an und behielten diese Ausrichtung auch bei, wenn sie Wasserstoffperoxid-getrieben lossausen. Durch eine Änderung der Richtung des Magnetfeldes konnten die Forscher die Orientierung der Stäbchen und damit auch deren Bewegungsrichtung jederzeit beliebig variieren – die Stäbe waren lenkbar.

"Im Prinzip sollten sich unsere Stäbchen-Motoren auch an andere Nanoobjekte ankuppeln lassen, um diese anzutreiben", meint Sen, "damit eröffnen sich Perspektiven für eine ganz neue Klasse von Mikro- und Nanomaschinen." Von ihren Dimensionen und magnetischen Eigenschaften her sind die Nanostäbchen mit magnetotaktischen Bakterien vergleichbar, die durch das Magnetfeld der Erde ausgerichtet und gelenkt werden. Sen ist daher überzeugt: "Unsere Nanostäbchen könnten als Modelle für derartige Organsmen dienen."

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