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News: Röhrchen-Motor

Häufig haben wir Ihnen an dieser Stelle von den erstaunlichen Eigenschaften Nanometer kleiner Kohlenstoff-Röhrchen berichtet. Nun hat ein Team von Physikern sich gleich einer ganzen Reihe der herausragenden Merkmale bedient, um den bislang kleinsten elektrischen Motor der Welt zu schaffen.
Nanoröhrchen-Motor
Sie sind elektrisch leitfähig, äußerst stabil und widerstandsfähig und trotzdem vergleichsweise einfach herzustellen, denn bei einer elektrischen Bogenentladung zwischen zwei Graphitelektroden fallen sie mit dem Ruß als Abfallprodukt ab: Nanoröhrchen, winzige strohhalmartige Strukturen aus Kohlenstoff, sind ohne Frage die Stars des Nanokosmos. Wobei es sie in ganz unterschiedlichen Ausführungen gibt: Manche sind beispielsweise gerade ein bis zwei Nanometer dünn, dafür aber rund tausendmal so lang, bestehend aus einer einzigen Lage aufgerollten Graphits. Andere Nanoröhrchen setzen sich hingegen aus vielen ineinander geschachtelten Graphithülsen zusammen und bilden somit ein mehrwandiges Nanoröhrchen, das etwas dicker ist als die einwandigen Exemplare.

Gerade diese mehrwandigen Röhrchen haben es Alex Zettl von der University of California in Berkeley von Anfang an angetan: "Als ich die ersten elektronenmikroskopischen Aufnahmen mehrwandiger Nanoröhrchen gesehen habe, dachte ich sofort, die Schalen des Röhrchens müssten sich gegeneinander verschieben lassen, um so ein elektromechanisches Bauelement zu formen." Die Idee war geboren, und bereits im Jahr 2000 konnte der Physiker zusammen mit seinen Kollegen ein winziges Gleitlager aus einem mehrwandigen Nanoröhrchen bauen [1]. Denn den Kern des Winzlings konnten die Forscher wie bei einer Teleskopantenne herausziehen und drehen.

Schon damals frohlockte Laszlo Forró von der ETH Zürich, dass sich ein solches Nanolager zu "einem sehr effizienten Teil eines zukünftigen molekularen Motors" entwickeln ließe. Er sollte Recht behalten, denn genau so eine Nanomaschine stellten nun Forscher um Adam Fennimore von der University of California in Berkeley vor [2] – natürlich war dabei auch Alex Zettl wieder mit im Boot.

Herzstück des Nanomotors, wie sollte es anders sein, ist ein mehrwandiges Kohlenstoffröhrchen. Es dient gleichzeitig als Achse und elektrische Zuleitung des Rotors, des beweglichen Teils des Motors. Dieser besteht im Wesentlichen aus einem rechteckigen Goldplättchen, dessen Kantenlängen zwischen 250 und 500 Nanometern liegen. Das Rotorblatt ist dabei an der äußeren Hülle des Nanoröhrchens befestigt, das seinerseits an beiden Enden auf zwei Erhöhungen eines Siliciumchips fixiert ist. Ferner sind drei Elektroden um dem Rotor angeordnet: Zwei befinden sich links und rechts längs der Nanoröhrchen-Achse, eine steckt vergraben in der isolierenden Siliciumdioxidschicht, die das Silicium bedeckt.

Durch Anlegen einer elektrischen Spannung über einer dieser Elektroden und dem Rotor lässt sich nun der Motor in Bewegung setzen. Die Rotation konnten die Forscher zweifelsfrei direkt im Rasterelektronenmikroskop nachweisen, wobei die Wissenschaftler auf theoretischem Wege eine Drehfederkonstante zwischen 10-15 und
10-12 Newtonmeter berechneten. Diese Federkonstante setzt dem Rotor bei Auslenkung ein Drehmoment entgegen, das ihn zurück in seine Ursprungsstellung bewegt, wenn die Spannung abgeschaltet wird.

Um das zu verhindern, modifizierten die Wissenschaftler ihre Maschine etwas. So ätzten sie einen Teil der äußeren Hülle des Röhrchens an und sprengten an dieser Stelle die Hülse weg, indem sie kurz einen entsprechend großen Strom durch die Achse des Röhrchens schickten. Auf diese Weise konnten sie den Teil der äußeren Hülle, der in der Nähe der Aufhängung fest fixiert ist, von dem Teil der Hülle entkoppeln, an dem das Rotorblatt befestigt ist. Durch Anlegen einer Spannung von rund 80 Volt zwischen Rotor und einer der äußeren Elektroden ließ sich anschließend die äußere Hülle des Nanoröhrchen vom inneren Kern losreißen, sodass sich im Folgenden der Rotor frei um die Achse rotieren ließ. Ein rückstellendes Drehmoment trat fortan nicht mehr auf.

Je nach Spannungsfolge an den Elektroden ließ sich der bewegliche Teil des Motors so in jede beliebige Richtung drehen oder in kontinuierliche Rotation versetzen. Das Anlegen einer konstanten Spannung bremste den Motor ab und fixierte eine bestimmte Position.

Zwar ist der Motor der Forscher in Berkeley nicht die erste Mikromaschine, doch bietet er einige entscheidende Vorteile gegenüber vorherigen Erfindungen oder natürlichen molekularen Motoren. So ist er leicht in Gang zu setzen, dreht sich bei Bedarf mit hoher Geschwindigkeit, zeigt bislang keine Verschleißerscheinungen und arbeitet zudem in einem weiten Temperaturbereich bei unterschiedlichen chemischen Bedingungen und sogar im Vakuum. Die winzige Maschine kann also mit ähnlich viel versprechenden Eigenschaften aufwarten wie ihr Hauptbestandteil, das Nanoröhrchen.

Angesichts all dieser positiven Charakteristika scheint es mithin nur eine Frage der Zeit zu sein, bis erste Anwendungen auf den Nanomotor setzen. Beispielsweise ließen sich Lichtstrahlen mit dem goldenen Rotorblatt umlenken oder Chemikalien detektieren, die auf dem Rotorblatt adsorbiert werden, so sein Trägheitsmoment und damit auch die Laufeigenschaften des Motors verändern.

Der Möglichkeiten sind viele, aber wie Zettl zurecht einwirft: "Wie bei Vorhersagen in den frühen Tagen des Lasers und der integrierten Schaltkreise werden wir ohne Zweifel falsch einschätzen, wo sich die erfolgreichsten Anwendungen ergeben – einerlei, wie visionär wir zu sein versuchen."

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