23.01.2007 · Spiralfedern, Gleitlager, Thermometer, Motoren und Antriebe, sogar einfache Fahrzeuge lassen sich mittlerweile im Nanoformat herstellen. Transportmittel dagegen noch nicht.
Von Manfred LindingerSpiralfedern, Gleitlager, Thermometer, Motoren und Antriebe, sogar einfache Fahrzeuge lassen sich mittlerweile im Nanoformat herstellen. Den Forschern mangelt es dagegen noch an winzigen Maschinen, die selbständig Moleküle, kleine Partikeln und Wirkstoffe huckepack gezielt an einen beliebigen Ort transportieren können. Bis dahin ist es noch ein weiter Weg. Und so erinnern die meisten Errungenschaften der Nanotechnik derzeit noch eher an Spielzeuge - wie die zweibeinige Laufmaschine, die Forscher von der University of California in Riverside ersonnen haben.
Wie ein kleiner Spaziergänger wandert das Molekül von Ludwig Bartels und seinen Kollegen selbständig in gerader Linie über eine Kupferoberfläche, wobei es noch kleine Lasten tragen kann.
Antrachinon als Basis
Bei dem Molekül handelt sich um die organische Verbindung Antrachinon. Es besteht aus drei miteinander verknüpften aromatischen Kohlenstoffringen, von denen der mittlere Ring an jeder Seite ein Sauerstoffatom hat. Die läuferischen Qualitäten von Antrachinon, das gestreckt nur etwa einen Nanometer lang ist, haben Bartels und seine Kollegen schon vor mehr als einem Jahr entdeckt. Wird das Molekül auf eine extrem saubere Kupferoberfläche gesetzt und kurz angestoßen, beginnt es in einer Richtung nach vorne zu laufen.
Dabei wirken die beiden seitlichen Sauerstoffatome wie Füße, die immer abwechselnd Kontakt zu den Kupferatomen der Oberfläche haben und auf diese Weise das ganze Molekül nach vorne schieben. Sichtbar machen lässt sich die kleine Maschine wegen seiner geringen Abmessung nur mit einem Rastertunnelmikroskop. Damit das Vehikel funktioniert, sind allerdings ein extrem gutes Vakuum und eine Temperatur von minus 250 Grad erforderlich. Denn bei Normaldruck würden die Teilchen der Luft die Kupferoberfläche sofort verunreinigen. Bei zuviel Wärme hingegen würde sich das Anthrachinon von der Oberfläche lösen.
Eine Tüte in jeder Hand
Das organische Molekül kann nicht nur laufen, es vermag dabei auch noch Lasten aufzunehmen und diese wieder abzusetzen, wie die Forscher um Bartels jetzt herausgefunden haben. Trifft es auf seinem Weg über die Kupferoberfläche auf Kohlendioxid-Moleküle, so koppeln diese an die Sauerstoffatome des mittleren Rings und bleiben daran haften. Dabei erinnert das Vehikel an einen winzigen Fußgänger, der in jeder Hand eine schwere Plastiktüte trägt. Und tatsächlich wird das Anthrachinon ähnlich wie das Taschen schleppende menschliche Vorbild langsamer, wenn es „Lasten trägt“.
Wie die Forscher in der Online-Ausgabe der Zeitschrift „Science“ berichten, ist bei einem angedockten Kohlendioxid-Molekül für einen Schritt doppelt so viel Energie erforderlich wie ohne Last. Bei zwei Kohlendioxid-Molekülen benötigt das Anthrachinon sogar dreimal so viel Energie. Schwer bepackt kommt der Winzling immerhin zehn Nanometer weit. Das Molekül entledigt sich der Kohlendioxid-Moleküle, sobald man die Kupferoberfläche auf minus 220 Grad erwärmt.
Geringe Wärme auf der Kupferoberfläche
Die Energie bezieht der Lastenträger aus der geringen Wärme, die trotz der herrschenden Kälte auf der Kupferoberfläche noch vorhanden ist, so dass die gerichtete Bewegung im Wesentlichen eine Diffusionsbewegung ist. Die Forscher wollen ihre molekulare Laufmaschine nun dazu bringen, um eine Ecke zu marschieren und ihre Last rotieren zu lassen. Dabei soll sie auch Licht aussenden, wodurch der Winzling leichter auf der Kupferoberfläche zu entdecken und bei der Arbeit zu beobachten wäre. Dann stünde dem Maschinenpark der Nanotechnik endlich auch ein zuverlässiges Transportmittel für Moleküle zur Verfügung.
