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Nanotechnologie: Zwergenhafte Energiebündel

Schön, wenn Geräte durch Fortschritte in der Nanotechnologie immer kompakter werden. Doch um sie effektiv nutzen zu können, braucht man zweierlei: handliche Bedienelemente und Energiequellen, die sie antreiben. Für letzteres deutet sich nun eine Lösung an.
Wang mit Nanobatterie
Auch die mikroskopisch kleinen Geräte und Instrumente der Nanotechnologie werden künftig vielfach Strom brauchen. Klobige Batterien, womöglich toxischen Inhalts, eignen sich dafür selten – insbesondere wenn die Nanotechnik medizinische Aufgaben in einem Körper aus Fleisch und Blut übernehmen soll: die permanente Kontrolle des Blutdrucks zum Beispiel oder das Überwachen und Erhalten lebensnotwendiger Körperfunktionen. Außerdem sollte nicht jeder Batteriewechsel wieder eine Operation nötig machen.

Ein Team um Zhong Lin Wang vom Georgia Institute of Technology in Atlanta will das nun ändern: Sie haben aus Zinkoxid eine neuartige Stromquelle für nanotechnologische Anwendungen entwickelt, die auch in Lebewesen gefahrlos funktionieren dürfte.

Ein Material mit vielen Vorteilen

Die Idee dazu kam den Wissenschaftlern vor ziemlich genau einem Jahr. Damals hatte ein Kollege von Wang festgestellt, dass Zinkoxid-Nanodrähte unter bestimmten Umständen kleine Stromstöße abgeben, wenn sie gebogen werden. Grund sind deren piezoelektrischen Eigenschaften: Gewisse Materialien erzeugen bei Druck oder mechanischen Spannungen elektrische Entladungen. Diesen Effekt nutzen beispielsweise hochwertige Feuerzeuge aus, die einen kleinen Kristall enthalten, der durch das Betätigen des Hebels am Feuerzeug für kurze Zeit fest zusammengequetscht wird – wird er wieder entlastet, sprüht er den erwarteten Funken. Von Vorteil ist ferner, dass Zinkoxid antiseptisch wirkt, weswegen es in vielen medizinischen Präparaten zur Haut- und Wundbehandlung enthalten ist.

Funktionsweise der Nanobatterie | Stoßen die Zinkoxid-Nanostoppel an die Zacken der Platin-Elektrode, fließt Strom. Damit dies passiert, wird die Apparatur mittels Ultraschall durchgeschüttelt. In einem Körper könnte der Herzschlag oder der Puls diese Funktion übernehmen und so dauerhaft Strom für medizinisch notwendige Nanogeräte liefern.
In ihren ersten Versuchen hatten die Forscher noch ausschließlich einzelne Nanodrähte mit der Spitze eines Rasterkraftmikroskops verbogen, mit der normalerweise die atomare Struktur von Oberflächen abgetastet wird. Das Verfahren haben die Wissenschaftler nun perfektioniert und auf eine Vielzahl an Nanostäbchen übertragen.

Auf einem etwa zwei Quadratmillimeter großen, zinkoxidbeschichteten Substrat aus Galliumnitrid respektive aus Saphir züchteten die Experimentatoren über eintausend gleichförmige Stoppel, die zusammen so etwas wie ein mikroskopisch kleines Fakirkissen bilden. Die einzelnen "Nägel" aus Zinkoxid sind im Schnitt etwa einen Mikrometer lang und haben einen Durchmesser von gut vierzig Nanometer (Milliardstel Meter). Zum Verbiegen dieser Stachel benutzten die Nanotechniker diesmal nicht die Spitze eines Rasterkraftmikroskops, sondern eine besonders geformte Elektrode aus dem Halbleitermaterial Silizium, die sie hauchdünn mit Platin überzogen. Die Unterseite der Elektrode, die zum Nano-Nadelkissen zeigt, hatten die Forschergruppe überdies zickzackförmig so konstruiert, dass einige der freien Enden der Nanostoppel in den Zwischenräumen hin- und herschwingen können.

Strom durch Kontakt

Damit es nun zu einem Fluss von Ladungsträgern kommt, mussten die Wissenschaftler die gesamte Struktur durchrütteln. Indem sie das Gebilde mit Ultraschall einer Frequenz von etwa 41 000 Hertz beschallten, brachten sie die Nanonägel zum Schwingen. Stieß nun einer dieser Stoppel zufällig mit seinem freien Ende an eine Kante der gezackten Elektrode, so floss ein Strom, denn der Berührungspunkt zwischen dem Überzug aus Platinmetall und dem Zinkoxid-Halbleiter stellte einen so genannten Schottky-Kontakt dar: ein Phänomen aus der Halbleiterelektronik, wonach Haftstellen zwischen Metallen und Halbleiter zu Stromflüssen führen können. Zu erklären ist das damit, dass der verbogene, piezokristalline Nanostoppel unter Spannung steht und dem Platin-Metall bei Kontakt Elektronen entreißt. Zugleich wirkt die Stoßstelle als Gleichrichter: Sie lässt den elektrischen Strom ausschließlich in eine Richtung fließen und sperrt in die andere. Daher produziert Wangs Nanogenerator Gleichstrom.

Wie die Forscher nachweisen konnten, kommt es nur zu Entladungen und somit zu einem Stromfluss, wenn die piezokristallinen Nanostümpfe kontinuierlich in Bewegung gehalten werden und sie unterschiedliche Zacken der aufgerauten Elektrode berühren. Schalteten sie in Vergleichsversuchen den Ultraschall aus oder verwendeten eine einfache, glatte Elektrode, maßen Wang und seine Kollegen nichts. Ebenso funktionierten Strukturen mit Nanostäbchen aus reinem Kohlenstoff nicht: Ihnen fehlen die Eigenschaften eines Halbleiters und eines Piezokristalls. Die durchgerüttelten Zinkoxid-Nanodrähte mit der Zickzack-Elektrode gaben dagegen über Stunden gleichmäßig Energie ab.

Die Wissenschaftler berechneten, dass ungefähr 250 bis eintausend der Nanodrähte in ihrem Versuch ausreichend Bewegungsfreiheiten hatten, um Strom zu liefern. Mit ihrem Gerät erzeugten sie zwar nur eine geringe Spannung von etwa 0,7 Millivolt bei einem Stromfluss von rund 0,15 Nanoampere, sie glauben aber, Apparaturen mit einer Leistung um die zehn Mikrowatt pro Quadratzentimeter herstellen zu können. Damit könnte man bis zu eintausend Nanogeräte betreiben, meinen die Forscher. Das schlagende Herz, der Puls oder gar strömendes Blut könnten außerdem die Vibrationen des Ultraschallgeräts ersetzen – Hauptsache, der Nanostromgenerator bleibt in Bewegung: Die Frequenz der Schwingung hatte sich als irrelevant erwiesen.

Doch bevor sie an eine Serienproduktion denken, wollen die Wissenschaftler noch die Qualität ihrer Laborapparatur verbessern. Dazu wollen sie versuchen, Millionen von Nanodrähten stets gleich lang zu machen. Zudem wollen sie die Form der Platinelektrode optimieren und versuchen, dessen Abstand zum Nadelkissen noch präziser einzustellen. Die Herstellung von energiehungrigen Nanomaschinen überlassen sie dann anderen.

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