Förderband für Nanofabrik der Zukunft

Um beliebige Strukturen aus Nanoteilchen zusammensetzen zu können, müssen die winzigen Bauteile gezielt gegriffen, bewegt und abgesetzt werden können. Atomfeine Mikroskopspitzen und Laserpinzetten leisten hier zwar schon gute Dienste, doch Schwierigkeiten bereitet noch der regelmäßige und kontinuierliche Nachschub des "Baumaterials". Mehrwandige Nanoröhrchen aus Kohlenstoff könnten nun die Aufgaben eines Förderband in einer Nanofabrik übernehmen: Amerikanischen Physikern von der University of California in Berkeley gelang es, ausgewählte Metalle in Femtogramm-Mengen ? angetrieben durch eine an das Röhrchen angelegte Spannung ? über die Oberfläche von Kohlenstoffröhrchen rutschen zu lassen.
"Wenn sich die atomaren Platzierungsmöglichkeiten von Rastersondenmikroskopen mit einem solchen Nanoröhrchen-Transportsystem vereinen ließen, wäre das ein hervorragendes Bauwerkzeug für die Nanowelt", berichten Alex Zettl und seine Kollegen in der Fachzeitschrift Nature (Vol. 428, S. 928). Und in der Tat scheint ihr Ansatz den Weg hin zu einem solchen Instrument zu ebnen: Sie deponierten aus der Dampfphase winzige Mengen des Metalls Indium auf einer mehrwandigen Nanoröhre in Form von winzigen, festen Kristallen. In einer Vakuumkammer schlossen die Forscher diese beschichtete Röhre an einen Stromkreis an und heizten sie mit Strömen von rund 40 Mikroampère auf, so dass das Indium schmolz. Wegen des herrschenden Temperaturgefälles auf der Röhre, die an der Anode heißer ist als an der Kathodenseite, wandert der maximal 100 Nanometer große Indiumtropfen langsam über die Kohlenstoffröhre.

Den so steuerbaren Transport des Metalltropfens beobachtete Zettl unter einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) und hielt die Bewegung in einem Videofilm fest. Größere Förderstrecken erreichte die Arbeitsgruppe mit einem rund drei Mikrometer langen Bündel aus Nanoröhrchen. Bei Spannungen von etwa zwei Volt und Strömen von 50 Mikroampère ließen sich Indiummengen auf das Femtogramm genau in wenigen Minuten bis Sekunden über das Röhrchen hin und her bewegen. Dazu mussten die Forscher lediglich die Pole des angeschlossenen Stromkreises vertauschen. "Sowohl die Förderrate als auch die Richtung dieses Massentransports hängt von der angelegten Spannung ab. Eine präzise Kontrolle ist möglich", so Zettl. Wird der Stromkreis unterbrochen, stoppt auch sofort der Metalltransport. Den Grund für dieses schnelle "Abschalten" sehen die Forscher in der einzigartigen Leitfähigkeit der Nanoröhrchen.

Im Prinzip hält Zettl sogar eine Regelung der Fördermenge auf ein Atom genau für möglich. Um eine exakte Menge des transportierten Metalls an einem Ende der Röhre zu erhalten, müsse bei angelegter Spannung nur eine festgelegte Zeit gewartet werden, bis sich ein Indiumtropfen der gewünschten Masse herausgebildet hat. Diesen Tropfen könne das Nanoröhrchen-Bündel dann wie ein Nanolötkolben an dem gewünschten Ort absetzen. Ähnliche Erfolge erzielte die Gruppe auch mit anderen Metallen wie Gold, Platin, Zinn und Zinn-Indium-Legierungen. Eine genaue Erklärung für den Mechanismus, der hinter diesem "Tröpfchentransport" steckt, konnten die Physiker allerdings noch nicht liefern. Zwar spielt der Temperaturgradient innerhalb des Röhrchens eine Rolle, aber die beobachtete Bewegung lässt sich mit einer reinen "Thermomigration" nicht erklären. Vielmehr vermuten sie, dass die lokal unterschiedliche Ausbildung eines elektrischen Felds mit berücksichtigt werden müsse. "In einem Elektromigrations-Modell zählt der Elektronen-Transfer von den Indium-Atomen in das Nanoröhrchen und zeichnet für die beobachtete Transportrichtung verantwortlich", so Zettl.
Jan Oliver Löfken


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