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News: Rock 'n' Roll in der Röhre

Eigentlich zeichnen sich winzige Kohlenstoff-Röhrchen nicht durch sonderlich viel Dynamik aus. Doch wenn man die Nanometer dünnen Gebilde mit ebenso kleinen Kohlenstoff-Kügelchen füllt, die zudem je ein Metallatom beinhalten, dann kommt Bewegung ins Spiel.
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Die Miniaturisierung schreitet voran, und irgendwann werden Computer-Chips in Größenordnungen vorgedrungen sein, in denen einzelne Atome ihre Eigenschaften beeinflussen. Als Bausteine für so genannte Quantencomputer und die Nano-Elektronik von Morgen werden molekulare Arrangements als heiße Kandidaten gehandelt, die wie nanometergroße Erbsenschoten aussehen: Kohlenstoff-Nanoröhren, die mit kugelförmigen Fullerenmolekülen gefüllt sind. Die Fullerene selbst beherbergen Metallatome in ihrem Hohlraum.

Andrei Khlobystov und Andrew Briggs von der Oxford University, John Dennis von der University of London und ihre Kollegen haben sich diesen Nanoschoten verschrieben. Die Forscher experimentierten jüngst mit metalldotierten Fullerenen aus 82 Kohlenstoff-Atomen – runde käfigartige Moleküle, die mit je einem Cer-Atom gefüllt waren. Im Kristall rotieren diese molekularen Käfige völlig frei. Doch was passiert, wenn man sie als "Erbsen" in Schoten, sprich Kohlenstoff-Nanoröhrchen, füllt?

Mit einem hochauflösenden Elektronenmikroskop lassen sich die Fullerene in den Nanoröhren gut erkennen. Zunächst lässt sich feststellen, dass sich die eisengefüllten Fulleren-Erbsen seitlich bewegen. Sind die Schoten nur teilweise gefüllt, hüpfen die Erbsen-Moleküle abrupt, unregelmäßig und unabhängig von einander hin und her. In komplett gefüllten Schoten fällt die Bewegung der dicht an dicht hockenden Fullerene langsamer und kontinuierlicher aus – und die ganze Reihe bewegt sich im Kollektiv.

Da sich das Cer-Atom mit dem Elektronenmikroskop im Fulleren auszumachen lässt, kann außerdem die Rotationsbewegung der Erbsen nachvollzogen werden. Denn die Cer-Atome befinden sich nicht im Zentrum des Fullerenhohlraums, sondern kleben fest an einer Stelle der Hülle. Auf Grund von Dipol-Dipol-Wechselwirkungen zwischen dem asymmetrisch gefüllten Fulleren und dem Nanoröhrchen gibt es eine bevorzugte Ausrichtung der Nano-Kugeln bezüglich der Röhrenachse. Auch seine zwei nächsten Nachbarn beeinflussen ein Fulleren.

Mit der freien Rotation wie im Kristall, wo jedes Fulleren zwölf nächste Nachbarn hat, ist es jedenfalls vorbei: Die Fullerene springen von einer Position in eine andere, verharren dort, werfen sich herum in die nächste – rasch, abrupt und unregelmäßig. Packt man die einzelnen Erbsenschoten zu Bündeln zusammen, wird diese unterbrochene Rotation sogar noch schneller. Grund sind die zusätzlichen Wechselwirkungen der Fullerene mit Nachbarn aus anderen Röhren des Bündels. Innerhalb dieser komplexen Symmetrie ist die Rotation offenbar weniger eingeschränkt. Der Zustand im Bündel ist damit eine Art Zwischending zwischen dem dreidimensionalen Kristallgitter und dem quasi-eindimensionalen Zustand im isolierten Nanoröhrchen.

Und was lässt sich anfangen mit den hüpfenden Erbsen in ihren Schoten? Die Wissenschaftler haben hier zumindest eine Idee: "Es ist vielleicht möglich, mit Hilfe dieser Dipol-Wechselwirkungen die Ausrichtung molekularer Ketten zu kontrollieren. So lassen sich dann die Eigenschaften von Nanomaterialien einstellen, die auf diesen Kohlenstoff-Strukturen aufbauen."

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