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Nanoröhrchen: Wärme schraubt die Mutter

Der erste mikroskopisch kleine Motor aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen war ein winziger Elektromotor, der sich nur drehen konnte. Neue Nanomotoren spanischer Forscher hingegen lassen sich von Wärme antreiben und bewegen sich drehend, schraubend und gleitend.
Mehrwandige Nanoröhrchen
Sie könnten die Fischertechnik-Bausteine für Maschinen werden, die kaum größer sind als ein Molekül: Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Forscher haben bereits Schalter aus den nur wenige Millionstel Millimeter dünnen Röhrchen zusammengesetzt sowie eine nanometergroße hydraulische Hebevorrichtung und ein Nanotransportband.

Auch einen nur unter dem Elektronenmikroskop erkennbaren Motor haben Forscher der Universität von Kalifornien in Berkeley aus den Röhrchen schon vor Jahren gebastelt. Kohlenstoff-Nanoröhrchen unterschiedlichen Durchmessers dienten dabei als feststehende Achse und als Rotor des Motors. Der lief wie geschmiert, weil die Röhrchen eine nahezu glatte Oberfläche aufweisen.

Aber eben nur nahezu. Denn auf der Oberfläche der Röhrchen gibt es Unregelmäßigkeiten in atomarem Maßstab, die eine Art Gewinde bilden, dessen Steigungswinkel zwischen den Nanoröhrchen variieren kann. Diese haben nun spanische Forscher ausgenutzt, um eine neue Nanomaschine zu bauen. Sie besteht aus einem beweglichen Nanoröhrchen (Rotor), das eine schlankeres, fest aufgehängtes Röhrchen (Achse) umgibt. Der Rotor bewegt sich meistens wie eine Mutter auf einer Schraube drehend entlang der Achse. Antreiben lässt sich der Motor mit Hilfe eines Temperaturgefälles entlang der Achse.

Kohlenstoff-Matroschkas

Mit einer elektrischen Bogenentladung hatten die Forscher um Adrian Bachtold vom Nationalen Zentrum für Mikroelektronik zunächst so genannte mehrwandige Kohlenstoff-Nanoröhrchen erzeugt. Bei diesen Gebilden stecken unterschiedlich dicke Röhrchen wie bei einer russischen Matroschka-Puppe ineinander.

In der Herstellung bilden sich, gesteuert vom Zufall, Röhrchen mit unterschiedlicher Oberflächenstruktur. Das lässt sich folgendermaßen erklären: Einzelne Nanoröhrchen entstehen, indem sich eine einatomige Schicht aus Kohlenstoff-Atomen, die einer Bienenwabe ähnelt, aufrollt. Je nachdem, in welchem Winkel das geschieht, ergeben sich Röhrchen mit verschiedenen Steigungswinkeln der Schraubenstruktur.

Diese mehrwandigen Röhrchen hängten die Forscher einzeln zwischen jeweils zwei Elektroden auf und brachten ein mikroskopisch kleines Goldplättchen an der Mitte jedes Röhrchens an, das als Ladung fungierte. Dann schickten sie einen starken Strom durch die Nanoröhrchen, die sich dadurch erhitzten und ihre äußerste Schicht absprengten. Allerdings leitete das Goldplättchen die Wärme von jenem Teil des Röhrchens ab, auf dem es sitzt, sodass dieser Bereich intakt blieb.

Damit hatten die Forscher also einen Ring mit Goldplättchen, der sich auf der Achse bewegen konnte – was er auch tat, sobald die Physiker einen Strom durch die Achse leiteten. Allerdings war die Bewegungsrichtung der Rotoren unabhängig von der Stromrichtung. Vielmehr bewegten sie sich zu der näher liegenden Elektrode.

Wärme sorgt für Bewegung

Weil die Elektroden Raumtemperatur behielten, während sich die Mitte der Röhrchen auf geschätzte tausend Grad Celsius erhitzte, schließen die Forscher, dass der Rotor vom Temperaturgefälle angetrieben wird, dem er folgte. Den Mechanismus stellen sie sich so vor: Wärme wird von Gitterschwingungen transportiert, die im Bild der Quantenphysik Teilchen, so genannten Phononen, entsprechen. Die Phononen strömen in der Achse vorzugsweise entlang des Temperaturgefälles, stoßen dabei gegen den Rotor und treiben ihn so an.

Die Forscher beobachteten aber nicht nur Schraubenbewegungen, sondern auch reine Rotationen oder ein Gleiten entlang der Achse ohne Drehung. Dass sich der Rotor auch in solch schraubenfremder Manier bewegen kann, erklärt Mitautor Adrian Bachtold so: Die Bewegung des Rotors werde nicht direkt von der räumlichen Anordnung der Kohlenstoffatome gesteuert, sondern von Energiebarrieren, die sich aus den Wechselwirkungen zwischen den Kohlenstoff-Atomen ergeben. Die Energiebarrieren könnten Führungsschienen ausbilden, die sich in ihrer Richtung von jener der räumlichen Atomanordnung unterscheiden.

Die Vielzahl der Bewegungsmöglichkeiten mache die Motoren zu interessanten Studienobjekten, etwa zur Erforschung der Reibung in Nanomaschinen, schreiben die Forscher. Um sie auch anwenden zu können, müssten sie aber aus kürzeren und schmäleren Röhrchen gebaut werden. Diese könnten dann mit einem wesentlich geringerem Temperaturgefälle betrieben werden, wie es beispielsweise Stoffwechselvorgängen im Körper erzeugen. Vielleicht, so spekuliert das Team, ließen sich mit solchen Motoren dann einst einmal Nanomaschinen im Körper antreiben.

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