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Nanotechnologie: Kleine Reibung hält auch auf

Glatte Sohlen sind rutschig, Stollenprofile sorgen für festen Halt. In unserer Welt des Großen haben wir die Wahl zwischen Schlittern und Haken. Auf der atomaren Ebene der Nanotechnologie ist aber jede Oberfläche rau und körnig.
Ohne Reibung fehlt uns etwas. In einer Welt voller idealem Glatteis könnten wir auf keinem Stuhl sitzen, uns nicht auf die eigenen Füße stellen und schon gar nicht bestimmen, in welche Richtung es uns treibt. Wie Neulinge auf Inline-Skates oder Schlittschuhen wären wir dem subtilen Spiel der Kräfte hilflos ausgeliefert. Wie gut, dass es Reibung gibt. Aber das richtige Maß muss es sein. Umgeben von rauem Schmirgelpapier könnten wir keine Schublade öffnen, wäre jede Tür verschlossen und würde der Abrieb in Windeseile unseren Hosenboden durchscheuern. Schon praktisch, dass wir in einer Realität des gesunden Mittelmaßes leben.

Den Dingen des Kleinsten geht es nicht so gut. Im Maßstab der Milliardstel Meter verliert das Innere zugunsten der Oberfläche an Bedeutung. Fast jedes Atom und Molekül hat hier Kontakt mit dem Draußen, muss sehen, wie es mit dem Nachbarn klarkommt. Wo kaum Masse ist, ist es keine Frage des massigen Schwungs, ob man auf einer Ebene hängen bleibt, sondern ein Umstand, wie sehr der Boden an den Füßen haftet. Reibung ist hier eines der Hauptthemen. Das wäre für uns Makroskopiker nicht weiter schlimm, wenn wir nicht mit unserer viel gelobten, lange erwarteten Nanotechnologie in diesen reibenden Kleinstkosmos vorstoßen würden. Und schon sind sie da, die Sorgen mit der Haftung: Nanobausteine bleiben aneinander hängen, wo sie sich bewegen sollten, und reiben sich gegenseitig auf, wenn es eigentlich wie geschmiert laufen sollte. Will die Nanotechnik im wörtlichen Sinne etwas bewegen, wird sie die Reibung in den Griff bekommen müssen. Doch genau hier liegt das Problem.

Zwei Wissenschaftlerteams haben nun im Labor Methoden entwickelt, wie man auf mechanische oder elektrische Weise den holprigen Nanomaßstab ein wenig glatter gestalten könnte. Die Gruppe um Anisoara Socoliuc von der Universität Basel wählte als Modell ein Rasterkraftmikroskop, dessen atomdünne Spitze sie über eine glatte Oberfläche aus Kochsalz zog [1]. Wirklich glatt war dieser Boden jedoch nur aus unserer normalen Sicht – für die Mikroskopspitze handelte es sich eher um eine hügelige Ebene. Während des ruppigen Gleitens blieb sie in jeder Einbuchtung zwischen den Natrium- und Chlor-Atomen zunächst einmal hängen. Wie ein Bogen dehnte sich die Halterung, bis sich schließlich so viel Spannung aufgebaut hatte, dass sie die Spitze gegen den Widerstand mit sich riss – hinein in die nächste Mulde, wo das Spiel von vorne begann.

Die Forscher begegneten dieser starken Reibung mit einem Verfahren, das jeder von uns bereits intuitiv erprobt hat, wenn mal wieder irgendetwas in seiner Hülle feststeckte – ordentlich Schütteln! Auch wenn es im Labor natürlich eleganter vor sich ging als am Schreibtisch, in der Werkstatt oder auf dem Campingplatz, erfüllte der Oszillator an der Spitzenhalterung des Kraftmikroskops doch den selben Zweck wie ein manuelles Verpackungsrütteln: Die Spitze wurde kurzfristig nach oben und nach unten bewegt und kam dabei hinreichend weit aus dem atomaren Tal hervor, dass sie bereits bei deutlich geringeren Spannungskräften den Sprung über das Hindernis schaffte. Entsprechend flüssiger glitt sie über die Oberfläche.

Einen vergleichbaren Erfolg erzielten auch Jeong Park vom Lawrence Berkeley National Laboratory und seine Kollegen [2]. Allerdings konzentrierten sie sich mehr auf die Verhältnisse bei Halbleitern, deren elektrische Eigenschaften besonders leicht zu manipulieren sind. Die Spitze ihres Kraftmikroskops musste darum ihren Weg über eine Siliziumprobe machen, die abwechselnd aus Regionen mit Elektronenüberschuss und -mangel bestand. Erstaunlicherweise zeigten sich in der Reibung Unterschiede zwischen diesen Bereichen, besonders, wenn gleichzeitig eine Spannung zwischen Spitze und Probe anlag – dann übten die Gebiete mit Elektronenmangel einen doppelt so großen Reibungswiderstand aus wie jene mit Elektronenüberschuss. Ein durchaus interessantes Ergebnis, für das die Wissenschaftler bislang keine schlüssige Erklärung gefunden haben.

Es ist also für jeden etwas bei diesen Versuchen dabei: Schütteln und Rütteln setzt die Reibung herab, während elektrische Spannung neue Rätsel aufgibt. So ist das eben, wenn man seine gewohnte makroskopische Welt verlässt. Aber was tut man nicht alles, um eines Tages von nanowinzigen Helfern umgeben zu sein.

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