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Nanotechnologie: Großes Reinemachen im Zwergenland

Es wurde auch langsam Zeit. Nachdem die Nanotechnologen bereits so viel Staub aufgewirbelt haben, kommen nun erste passende Reinigungsgeräte aus den Laboren. Doch mit den nun hergestellten Bürstchen und Pinselchen lassen sich nicht nur Nanopartikel zusammenfegen, sondern gleichfalls Elektromotoren betreiben.
Nano-"Zahnbürste"
Und als es dunkel geworden war, kamen die sieben Zwerge, zündeten ihre Lichtlein an und sahen, dass im Häuslein nicht alles in Ordnung war. Da sprach der erste: "Wer hat sich mit meiner Nanobürste die Zähne geputzt?" Lautet so bald eine moderne Version von Schneewittchen?

Allerorten tüfteln Materialforscher derzeit an klitzekleinen Strukturen und Gegenständen im Zwergenmaßstab. Ihrer Profession haben sie bereits einen klingenden Namen gegeben: Nanotechnologie – abgeleitet von den griechischen Worten nãnnos für Zwerg und technología, was so viel bedeutet wie die Lehre oder das System der Technik. Ziel ist das Herstellen von funktionalen Materialien oder von elektronisch aktiven Schaltungen im atomaren Maßstab, die das Leben der Großen – der Menschen also – dereinst noch bequemer und Gerätschaften noch effizienter machen sollen.

Nanobürste | Mit chemischer Gasphasenabscheidung befestigten die Forscher mehrere 16 Mikrometer dicke, teilweise mit Gold beschichtete Siliziumcarbid-Fasern mit einer Unzahl von jeweils 30 Nanometer dicken und mehrere Mikrometer langen Kohlenstoffröhrchen – fertig war die Bürste.
Experimentierte die Garde der Zwergenforscher bislang nahezu ausschließlich mit simplen Röhrchen aus Kohlenstoff, die am ehesten vielleicht an Bindfäden erinnern oder an Strohhalme, durch die hindurch jeweils nicht viel mehr als eine Handvoll Atome gleichzeitig gelangen, wagte sich nun ein amerikanisches Team um Anyuan Cao und Pulickel Ajayan des Rensselaer Polytechnic Institute bei New York an einen handelüblichen Gebrauchsgegenstand, den wahrscheinlich jeder von uns bereits einmal in die Hand genommen hat: an Bürsten.

Dazu befestigten sie durch ein Verfahren, das sich chemische Gasphasenabscheidung nennt, mehrere 16 Mikrometer dicke, teilweise mit Gold beschichtete Siliziumcarbid-Fasern mit einer Unzahl von jeweils 30 Nanometer dicken und mehrere Mikrometer langen Kohlenstoffröhrchen. Die Siliziumcarbid-Fasern dienen als Griffe; die Kohlenstoffröhrchen bilden die Borsten. Diese erweisen sich als durchaus robust, halten sie doch einem Druck von über 300 000 Pascal stand – das entspricht dem gut Dreifachen des Luftdrucks auf der Erde – sowie Temperaturen von über 400 Grad Celsius.

Das Forscherteam produzierte nach und nach verschiedene Formen: Objekte, die normalen Zahnbürsten gleichen oder sogar auf beiden Seiten Borsten aufweisen, sowie Teile, die an Haarbürsten erinnern oder an Reinigungsbürsten für Milchflaschen.

Doppel-Bürste | Eine Doppelbürste im Nanometermaßstab. Als Stiel dient eine 16 Mikrometer dicke Siliziumcarbid-Faser. Die Borsten bestehen aus einer Unzahl von jeweils 30 Nanometer dicken Kohlenstoffröhrchen.
Das Erfreuliche ist, dass die Zwergengeräte nicht nur so aussehen wie ihre großen Brüder und Schwestern, sondern dass sie ähnlich einwandfrei funktionieren. Das zeigten Cao und Ajayan in mehreren Tests. So fegten sie mit ihren kleinen Bürstchen Nanopartikel zu Nanodreckhaufen zusammen oder reinigten damit Strukturen, die nur wenige Mikrometer groß sind. Eingespannt in einen kleinen Elektromotor bastelten sie sich zudem eine Art elektrische Zahnbürste. Doch nutzten sie das rotierende Bürstchen zunächst, um das Innere von haarfeinen Kapillare zu reinigen, die sie schließlich mit roter Farbe bemalten.

Mit ihren kleinen Werkzeugen konnten die Nano-Bürstenmacher sogar Schwermetalle aus Lösungen fischen. Dazu verknüpften sie die Borsten mit einer organischen Verbindung. Das so modifizierte Arbeitsgerät tauchten sie in eine Lösung mit Silberionen und rührten eine Weile darin herum. Als sie es wieder aus der Lösung nahmen, hafteten nun Silberionen an der Bürste. Die Schwermetallkonzentration in der Lösung nahm dagegen nachweislich ab.

Doch kann man die Pinselchen und Bürstchen aus dem Rensselaer Polytechnic Institute nicht nur zum Reinigen, Putzen oder Malen verwenden. Da Kohlenstoff elektrisch leitfähig ist, eignen sich die Fasern ebenso als Schleifkontakte für winzige Motoren. Ähnlich wie beim "großen" Generator, stellen sie den elektrischen Kontakt zum rotierendem Teil der Maschine her.

Eine derart leitende Bürste lässt sich darüber hinaus als Schalter nutzen, wenn man sie über eine leitende Fläche rotieren lässt. Auch dies hat das Ingenieursteam gezeigt: Sie spannten eine der "Zahnbürsten" in einen kleinen Motor ein und ließen ihn mit einer Geschwindigkeit von sieben Umdrehungen pro Minute knapp über einer leitenden Fläche drehen. Jedes Mal, wenn die Borsten die Metallplatte streiften, floss ein Strom.

So können sich Zwerge beispielsweise einen Blinker bauen. Doch auch uns Riesen wird die Miniaturisierung etwas bringen. Was das genau sein wird, bleibt dem weiteren Erfindergeist der Zwergenmechaniker überlassen. Bleibt nur zu hoffen, dass die Techniker stets im Hinterkopf behalten, dass wir Nutzer die Geräte mit "Wurstfingern" bedienen müssen.

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