Ein Maschinchen aus der Nanowerkstatt

Zwei winzige Kohlenstoffzylinder sind die Elemente eines effizienten Motors.

Von Rainer Scharf

Die belebte Natur hält für Nanotechnologen eine Vielzahl von Anregungen bereit. Dazu zählen molekulare Motoren, die Stoffe verschiedenster Art in den Zellen transportieren. Noch immer sind die biologischen Miniaturmaschinen unerreichte Vorbilder. Trotzdem hat man mittlerweile molekulare Schalter, winzige Förderbänder und Rotoren aus einzelnen Molekülen gebaut. Jetzt haben Forscher vom Institut Català de Nanotecnologia in Barcelona einen winzigen Motor konstruiert, der ein Goldteilchen etwa einen Mikrometer weit transportieren kann.

Der Motor besteht aus zwei jeweils nanometerdicken Röhrchen aus Kohlenstoff, die ineinanderstecken. Die innere Röhre ist einige Mikrometer lang und hat die Funktion eines festen Schafts, auf dem die äußere, wesentlich kürzere Röhre wie eine Hülse rotieren und hin- und hergleiten kann. Herrscht entlang des Schafts ein Temperaturgefälle, so bewegt sich die Hülse zum nächstgelegenen kälteren Ende hin.

Die Herstellung des Motors erfolgte in mehreren Schritten, wie Adrian Bachtold und seine Kollegen in der Online-Ausgabe der Zeitschrift "Science" berichten. Zunächst erzeugte man durch eine elektrische Entladung zwischen zwei Graphitelektroden winzige Kohlenstoffröhren, die zum Teil ineinandersteckten. Eines dieser mehrwandigen Röhrchen wurde auf eine nichtleitende Unterlage gelegt, darauf fixiert und an den Enden mit elektrischen Kontakten versehen. In der Mitte des Kohlenstoffzylinders brachten die Forscher ein winziges Goldteilchen auf und ätzten einen kleinen Graben in die Unterlage, so dass der Mittelteil der Röhre frei stand. Anschließend schickte man einen elektrischen Strom durch den Kohlenstoffzylinder, der sich dabei so stark erhitzte, dass die äußeren Kohlenstoffschichten fast vollständig verdampften. Nur in der Nähe des Goldteilchens, das einen Teil der Wärmeenergie absorbierte, blieb ein kurzes Stück eines Röhrchens übrig, das die Hülse und damit den beweglichen Teil des Motors bilden sollte.

Die Forscher positionierten mit der Spitze eines Kraftmikroskops die Hülse etwa in der Mitte des Schafts und schickten dann durch die Röhre einen schwachen Strom, der dieses Mal so bemessen war, dass er den Schaft und die Hülse nicht beschädigte. Daraufhin bewegte sich die Hülse auf dem Schaft, wobei sie mal schneller, mal langsamer rotierte - abhängig vom spiralförmigen molekularen Muster der Kohlenstoffatome auf der Oberfläche des Schafts. Mit dem Elektronenmikroskop konnten die Forscher die Bewegung des Röhrenstücks mit dem Goldteilchen exakt verfolgen, das entlang des Schafts eine Entfernung von einem Mikrometer zurücklegte.

Nach Ansicht der Forscher wird der Motor nicht von elektrischen oder magnetischen Kräften angetrieben, sondern von der Wärmeenergie, die der elektrische Strom in der feststehenden Nanoröhre erzeugt. Wurde die Polarität der angelegten Spannung nämlich gewechselt, so dass sich die Richtung des Stroms änderte, behielt die Hülse ihre ursprüngliche Bewegung bei. Ein Hinweis, dass elektromagnetische Kräfte keine Rolle spielen.

Da die Wärme durch die elektrischen Kontakte an den Röhrenenden schnell abgeleitet wird, erhitzt sich vor allem der Mittelteil des Motors. Die Enden bleiben kühl. Entsprechend dem Temperaturgefälle wird die Wärme von der Mitte des Röhrchens nach außen transportiert. Dabei schwingen die Kohlenstoffatome des Schafts und stoßen ständig mit den Atomen der Hülse zusammen. Bei jeder Kollision erhält die Hülse einen Impuls in Richtung des nächstgelegenen Schaftendes, wohin sie sich deshalb bewegt. Offenkundig wandelt der Motor einen Teil der Wärme in gerichtete Bewegung um. Die Forscher sehen für ihre Erfindung zahlreiche Anwendungen, etwa als Pumpen und Spritzen in der Mikrofluidik oder als Stellglieder in nanomechanischen Systemen.

Text: F.A.Z., 16.04.2008, Nr. 89 / Seite N2