News: Kluger Staub
Die Roboter der Zukunft sind intelligent, allgegenwärtig und nicht größer als ein Staubkorn. Das jedenfalls erhoffen sich einige Wissenschaftler. Einen weiteren Schritt in diese Richtung haben jetzt Forscher aus den USA getan: Sie entwickelten winzige, "intelligente" Sensoren.
© (Ausschnitt)
Zurzeit wird gleich an mehreren Fronten an der Weiterentwicklung von Robotern gearbeitet: Während die einen die Maschinen immer menschlicher machen wollen, versuchen andere, sie immer weiter zu schrumpfen. So arbeiten Jamie Link und Michael Sailor von der University of California in San Diego zum Beispiel an der Entwicklung von Sensoren, die sich kaum von einem Staubkorn unterscheiden lassen.
Dafür benutzten sie einen Siliciumchip, wie er auch für die Computerindustrie Verwendung findet. In seine Oberfläche ätzten die Forscher mit Hilfe einer Ethanol-Flusssäure-Lösung unter Anlegen einer periodisch schwankenden Spannung winzige Poren. Diese sollten nicht nur als Kontaktoberfläche für die zu untersuchenden Stoffe dienen, sondern hatten auch ganz besondere optische Eigenschaften: Sie bildeten photonische Kristalle.
Das heißt, obwohl selbst farblos, reflektierten die Strukturen nur Licht bestimmter Wellenlänge, sodass sie einem Betrachter farbig erschienen. Dabei konnten die Forscher durch die Frequenz der angelegten Spannung beim Ätzen die Farbe auswählen, welche vornehmlich an den Poren reflektiert werden sollte. So sorgten Link und Sailor dafür, dass die eine Oberfläche des Chips rot und die andere grün erschien.
Dann wurde die eine Seite 15 Stunden lang bei hundert Grad Celsius oxidiert, während die andere hydrosilyliert, dass heißt mit einer organischen Schicht versehen wurde. Die oxidierte Oberfläche war nach dieser Behandlung Wasser anziehend beziehungsweise hydrophil und die andere Wasser abstoßend. Schließlich zerbrachen die Wissenschaftler den Chip durch Ultraschall in winzige gerade einmal staubgroße Stückchen.
Zu Wasser hinzugefügt schwammen die "intelligenten Staubkörner" mit der grüne Seite nach oben auf der Oberfläche. Interessant wurde es allerdings als Heptan, eine nicht wasserlösliche Flüssigkeit hinzugegeben wurde. Prompt lagerten sich einige der Siliciumkörner an die Oberfläche des Heptan-Tropfens an und bildeten einen, auch mit dem bloßen Auge erkennbaren, rotschimmernden Film, da ja die rote Wasser anziehende Seite der Körner vom Tropfen wegzeigte: So ließ sich bereits auf den ersten Blick feststellen, ob die zugegebene Substanz selbst hydrophob oder hydrophil war. Doch das war noch längst nicht alles.
Das Heptan drang in die grün schimmernden Poren ein und beeinflusste ihre optischen Eigenschaften: Die "grüne" Seite veränderte daraufhin ihre Farbe ein wenig. Im Gegensatz dazu, änderte die Anwesenheit von Wasser die Farbe der Wasser abstoßenden Seite gar nicht, da es gar nicht erst in die Poren eindringen konnte. Das umgekehrte galt für die rote, hydrophile Oberfläche. Wenn Wasser zugefügt wurde, änderte sich ihre Farbe, während das Heptan hier gar keine Farbverschiebung hervorrief.
Nach Ansicht der Forscher sollten daher unterschiedliche Substanzen ebenso unterschiedliche, genau messbare Farbverschiebungen an den Siliciumteilchen hervorrufen, die sich aus einer sicheren Entfernung mit Hilfe eines Lasers wie ein Strichcode lesen lassen. Noch dazu lagern sich die Staubteilchen "selbständig" durch ihre hydrophile beziehungsweise hydrophobe Oberfläche an den zu untersuchenden Stoff an und ermöglichen so eine sehr zuverlässige Identifikation.
Sailor ist sich sicher, dass das alles nur der Anfang ist: "Wir hoffen, dass diese Erfindung zur Entwicklung sandkorngroßer Roboter führen wird, welche die Reinheit von Trink- und Meerwasser überwachen, gefährliche Stoffe in der Luft erkennen und vielleicht sogar Tumorzellen im Körper finden und zerstören könnten."
Dafür benutzten sie einen Siliciumchip, wie er auch für die Computerindustrie Verwendung findet. In seine Oberfläche ätzten die Forscher mit Hilfe einer Ethanol-Flusssäure-Lösung unter Anlegen einer periodisch schwankenden Spannung winzige Poren. Diese sollten nicht nur als Kontaktoberfläche für die zu untersuchenden Stoffe dienen, sondern hatten auch ganz besondere optische Eigenschaften: Sie bildeten photonische Kristalle.
Das heißt, obwohl selbst farblos, reflektierten die Strukturen nur Licht bestimmter Wellenlänge, sodass sie einem Betrachter farbig erschienen. Dabei konnten die Forscher durch die Frequenz der angelegten Spannung beim Ätzen die Farbe auswählen, welche vornehmlich an den Poren reflektiert werden sollte. So sorgten Link und Sailor dafür, dass die eine Oberfläche des Chips rot und die andere grün erschien.
Dann wurde die eine Seite 15 Stunden lang bei hundert Grad Celsius oxidiert, während die andere hydrosilyliert, dass heißt mit einer organischen Schicht versehen wurde. Die oxidierte Oberfläche war nach dieser Behandlung Wasser anziehend beziehungsweise hydrophil und die andere Wasser abstoßend. Schließlich zerbrachen die Wissenschaftler den Chip durch Ultraschall in winzige gerade einmal staubgroße Stückchen.
Zu Wasser hinzugefügt schwammen die "intelligenten Staubkörner" mit der grüne Seite nach oben auf der Oberfläche. Interessant wurde es allerdings als Heptan, eine nicht wasserlösliche Flüssigkeit hinzugegeben wurde. Prompt lagerten sich einige der Siliciumkörner an die Oberfläche des Heptan-Tropfens an und bildeten einen, auch mit dem bloßen Auge erkennbaren, rotschimmernden Film, da ja die rote Wasser anziehende Seite der Körner vom Tropfen wegzeigte: So ließ sich bereits auf den ersten Blick feststellen, ob die zugegebene Substanz selbst hydrophob oder hydrophil war. Doch das war noch längst nicht alles.
Das Heptan drang in die grün schimmernden Poren ein und beeinflusste ihre optischen Eigenschaften: Die "grüne" Seite veränderte daraufhin ihre Farbe ein wenig. Im Gegensatz dazu, änderte die Anwesenheit von Wasser die Farbe der Wasser abstoßenden Seite gar nicht, da es gar nicht erst in die Poren eindringen konnte. Das umgekehrte galt für die rote, hydrophile Oberfläche. Wenn Wasser zugefügt wurde, änderte sich ihre Farbe, während das Heptan hier gar keine Farbverschiebung hervorrief.
Nach Ansicht der Forscher sollten daher unterschiedliche Substanzen ebenso unterschiedliche, genau messbare Farbverschiebungen an den Siliciumteilchen hervorrufen, die sich aus einer sicheren Entfernung mit Hilfe eines Lasers wie ein Strichcode lesen lassen. Noch dazu lagern sich die Staubteilchen "selbständig" durch ihre hydrophile beziehungsweise hydrophobe Oberfläche an den zu untersuchenden Stoff an und ermöglichen so eine sehr zuverlässige Identifikation.
Sailor ist sich sicher, dass das alles nur der Anfang ist: "Wir hoffen, dass diese Erfindung zur Entwicklung sandkorngroßer Roboter führen wird, welche die Reinheit von Trink- und Meerwasser überwachen, gefährliche Stoffe in der Luft erkennen und vielleicht sogar Tumorzellen im Körper finden und zerstören könnten."
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