Wacklige Angelegenheit

News: Wacklige Angelegenheit

Die Welt der Nanostrukturen bietet neben winzigen Bällen, Röhrchen und Drähten auch kleine Spiralen - Miniatur-Sprungfedern sozusagen. Bislang hatte man nur eine wage Vorstellung, wie sich derartige Strukturen ausbilden. Nun konnten Forscher nicht nur zum ersten Mal eine Nanofeder aus Borcarbid herstellen, sondern es gelang ihnen auch anhand elektronmikroskopischer Aufnahmen, den Prozess der Entstehung zu klären.

Thorsten Krome

Es ist faszinierend, welch filigrane Strukturen Wissenschaftler hervorzaubern: Da gibt es nanometergroße Bälle, so genannte Buckyballs oder Fullerene, oder kleine Röhrchen, deren Durchmesser nur wenige Nanometer beträgt. Auch einfache Drähte werden hergestellt, die tausendmal dünner als ein menschliches Haar sind – Objekte, die ohne Hilfsmittel unsichtbar für das menschliche Auge sind.

Bei letzteren passiert es zuweilen allerdings, dass der Draht am Ende des Herstellungsprozess alles andere als einen geraden Strang bildet. Im Gegenteil: Er kräuselt und windet sich zu einer Spirale, einer kleinen Feder, die nur wenige Dutzend Nanometer dick ist. Bislang war weitgehend unklar, wie es zu einer derartigen Asymmetrie beim Wachstum der Strukturen kommt. Dave McIlroy von der University of Idaho und seine Kollegen schlagen nun ein Modell vor, welches das wankelmütige Verhalten erklären soll.

Die Nanofedern entstehen während eines Prozess, den Wissenschaftler mit vapor-liquid-solid-Wachstum (VLS) bezeichnen. Dabei absorbiert ein Tröpfchen eines Katalysators das gasfömige Material, aus dem später einmal der Draht oder die Spirale wird. Die Konzentration dieses Stoffs steigt also zusehends und erreicht irgendwann einen Punkt, an dem der Tropfen übersättigt ist. In diesem Moment scheidet die Flüssigkeitskugel einen Teil des aufgenommen Materials an seiner Basis ab und formt so ein Stückchen Draht.

Für gewöhnlich wächst der Strang auf diese Weise gerade, doch manchmal eben windet er sich und formt so eine Spirale. McIlroy und seine Kollegen vermuten nun, dass dies passiert, wenn der Durchmesser des Tropfens größer wird als der Durchmesser des Nanodrahts. Dann wird nämlich der Aufenthalt des Tropfens an der Spitze der Faser zum Balanceakt, und kleine Störungen lassen ihn zu einer Seite kippen. Dies würde dann zu der Asymmetrie im Wachstum führen.

Die Forscher konnten ihr Modell auch bereits im Experiment erfolgreich überprüfen. Sie ließen einen Draht aus Bornitrid wachsen, der sich zunächst in gerader Richtung ausdehnte, dann aber plötzlich spiralförmig weiter wuchs. Ein Teil des Tropfens blieb dabei an der Übergangsstelle hängen – und zwar am Rand, wie vorhergesagt.

So könnte es in Zukunft mit dieser Erkenntnis gelingen, gezielt Spiralen mit bestimmten Abmessungen herzustellen, die als hoch empfindliche Magnetfeldsensoren dienen. Derartig Sensoren ließen sich zum Beispiel in Festplatten einbauen. Die kleinen Federn könnten aber auch andere nanometergroße Objekte positionieren und Nanomaschinen antreiben.