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Nanotechnik : Das kleinste Elektroauto der Welt

Der passende Antrieb auch für das Nanoauto? Bild: Randy Wind, Martin Roelfs

Nur wenige Nanometer misst das kleinste Elektroauto der Welt, das obendrein über einen Allradantrieb verfügt. Den Treibstoff liefert die Spitze eines Rastertunnelmikroskops in Form von Elektronen. .

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          Die Miniaturisierungswelle hat nach der Elektronik nun offenkundig auch den Fahrzeugbau erfasst. So misst das kleinste Elektroauto der Welt, das obendrein über einen Vierradantrieb verfügt, nur knapp vier mal zwei Millionstel Millimeter. Aufgebaut ist das winzige Vehikel, das Forscher von der Universität Groningen gemeinsam mit Wissenschaftlern der Schweizer Laboratorien für Materialforschung Empa in Zürich entwickelt haben, aus einem länglichen organischen Molekül als Chassis. Daran sind vier Moleküle gekoppelt, die die Rolle der "Räder" inklusive der Elektromotoren übernehmen. Die Antriebsräder - paddelähnliche Motormoleküle, die Ben Feringa und seine Kollegen erstmals vor einigen Jahren aus aromatischen Molekülen hergestellt hatten - beginnen, alle in die gleiche Richtung zu rotieren, sobald man Elektronen aus einer Spitze eines Rastertunnelmikroskops zuführt, das direkt über dem Nanoauto schwebt.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Molekulare  Antriebstechnik

          Damit sich das Gefährt in Bewegung setzt, ist ein Spannungsspuls von mindestens 0,5 Volt erforderlich. Elektronen wandern dann aus der Spitze in die Motormoleküle, wodurch Kohlenstoffbindungen, mit denen die Räder an die Chassis gekoppelt sind, gelöst und neue geknüpft werden. Als Folge ändert sich die molekulare Anordnung der Moleküle, und so vollführen die Räder bei jedem Spannungspuls jeweils eine halbe Umdrehung ("Nature", Bd. 479, S. 208). Eine Art Sperrklinke in Form funktioneller Gruppen bewirkt, dass sich das Rad nur in eine Richtung bewegen kann.

          Extreme Bedingungen

          Als Unterlage benötigt man eine extrem reine und glatte Kupferfläche. Das Vehikel funktioniert allerdings nur bei einem extrem guten Vakuum und einer Temperatur von mindestens minus 266 Grad. Denn bei Normaldruck würden die Teilchen der Luft die Kupferoberfläche sofort verunreinigen. Bei zu viel Wärme hingegen würde sich das Auto von der Oberfläche lösen.

          Immer geradeaus

          Von der Fahrtüchtigkeit ihres Gefährts haben sich die Forscher um Ben Feringa beim Blick durch ein Tunnelmikroskop überzeugen können. Pro Umdrehung kam das Auto knapp einen Nanometer voran. Nach zehn Spannungspulsen war das Auto immerhin sechs Nanometer weit gefahren - mehr oder weniger geradeaus, denn es war nicht so einfach, alle vier Motormoleküle gleichzeitig anzuregen. Ein Rückwärtsgang ist bislang nicht vorgesehen. Eine große Schwierigkeit besteht noch darin, bei der Herstellung des Autos die Antriebsräder so zu montieren, dass sie sich alle in ein und dieselbe Richtung drehen. Die Forscher müssen daher durch Versuche solche Nanoautos herausfischen, die tatsächlich vorwärtsfahren.

          Keine Spielerei

          Das Vehikel von Feringa ist zwar nicht das allererste Nanoauto, das entwickelt wurde. Es ist aber zumindest das erste, das aus eigener Kraft zielgerichtet über eine Oberfläche rollt. Bisher mussten  die Wissenschaftler mit den Spitzen von Rastertunnelmikroskopen ihre Anordnungen von Molekülen wie winzige Billardkugeln über eine Fläche umherschieben. Das elektrisch angetriebene Nanoauto mutet eher wie Spielerei auf Nanoebene an als eine ernste Forschungarbeit. Tatsächlich will man mit solchen Experimenten aber ausloten, wie man einzelne Moleküle kontrolliert auf einer Oberfläche anordnen und in gerichtete Bewegung versetzten kann. Was die Forscher um Feringa an ihrem Fahrzeug besonders interessiert, ist das Zusammenspiel von vier Motormolekülen.

          Wirkstoffähren und Arbeitspferde

          Wozu die winzigen Vehikel eines Tages zu gebrauchen sein werden, ist reine Spekulation. Vielleicht transportieren sie etwa Medikamente in die Blutbahn des Körpers. Forscher sehen ihr Design eher als einen Schritt zur Entwicklung von Nanomaschinen an, die einmal auf der Molekülskala Arbeit verrichten könnten. Als Nächstes wollen Feringa und seine Kollegen das Nanoauto mit Lichtpulsen antreiben.

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