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Laster für Liliput

Wissenschaftler aus den USA haben ein funktionstüchtiges Fahrzeug gebaut, das nur aus wenigen Atomen besteht. Es soll künftig Baumaterial für winzige Nano-Maschinen befördern.

Im Herbst 2005 sorgte eine amerikanische Forschergruppe von der Rice University in Houston (Texas) mit einem „Nano-Auto“ für Aufsehen: Es war nur etwa ein 20 000stel so groß, wie ein menschliches Haar dick ist. Dennoch lassen sich Achsen und Räder des Miniatur-Vehikels frei bewegen – ein Novum in diesen winzigen Dimensionen.

Nahezu zeitgleich schufen Wissenschaftler an der niederländischen Universität Groningen einen winzigen Motor, der seine Energie aus Licht gewinnt. Schnell gab es Überlegungen, die beiden Entwicklungen zu einem Motor getriebenen Nano-Fahrzeug zu vereinen. Das hat das texanische Forscherteam um James Tour jetzt fertiggebracht: Ein Nano-Aggregat treibt das kleinste Auto der Welt an.

Der Prototyp des Zwerg-Mobils besteht fast nur aus Kohlenstoff-Atomen. Als Baumaterial für das Chassis und die Achsen wählten die Wissenschaftler eine spezielle Kohlenstoff-Verbindung, die zur Gruppe der Alkine gehört. Die Eigenart der Alkin-Moleküle ist es, dass sie bereits bei Zimmertemperatur um die Verbindungsachsen zwischen den einzelnen Atomen frei rotieren können, ohne dabei an Festigkeit einzubüßen. Die Räder der ersten Variante des Mini-Fahrzeugs bestanden aus Fullerenen oder „Buckyballs“ – Fußball ähnlichen Hohlkugeln aus 60 Kohlenstoff-Atomen. Doch diese Buckyballs stellten die Wissenschaftler vor große Probleme, als es darum ging, das atomare Vehikel mit einem Antrieb zu versehen. Denn schon bei den ersten Fahrversuchen stellte sich heraus, dass die Räder die Energie, die man zum Antrieb des Motors benötigt, sofort absorbierten. Erst als die Forscher die Fullerene durch kugelförmige Moleküle aus Kohlenstoff, Wasserstoff und Bor – so genannte P-Carborane – ersetzten, kam das Auto ins Rollen.

Der Motor selber funktioniert nach einem recht einfachen Prinzip: Auch er besteht aus einer Kohlenstoff-Verbindung – einem Alken, das im Gegensatz zu den Verbindungen des Chassis nur eine einzige Doppelbindung aufweist, um die sich die Kohlenstoff-Atome des Moleküls drehen können. Trifft ein Photon – ein Lichtteilchen –, etwa aus dem Sonnenlicht, auf den Kohlenstoff, bekommt ein Elektron einen Energieschub und wird in einen angeregten Zustand befördert. Sekundenbruchteile später fällt das Elektron wieder in seinen Ausgangszustand zurück. Die frei werdende Energie führt zu genau einer Umdrehung des Motorkolbens. Weitere Photonen halten die Drehung des Motors in Gang.

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Zum Bewegen der Räder haben die Forscher dem Miniatur-Auto Achsen aus Kohlenstoff-Ketten verpasst. Ähnlich wie das Schaufelrad eines Mississippi-Dampfers „schaufeln“ diese das Nano-Mobil vorwärts.

In einer organischen Lösung hat das Vehikel bereits erste erfolgreiche Fahrversuche absolviert. Inzwischen testen James Tour und seine Mitarbeiter das Nano-Gefährt auf seine Tauglichkeit für die Fortbewegung auf unterschiedlichen festen Oberflächen. Eine praktische Anwendung ihres Autos im Molekülformat könnten beispielsweise Mini-Lastwagen sein, die einzelne Atome oder Moleküle zu Nano-Baustellen befördern, auf denen winzige Maschinchen oder elektronische Bauteile zusammengefügt werden.

Auch wenn der Prototyp noch wie eine Spielerei anmutet, ist er für die Forscher doch wesentlich mehr: ein Schritt auf dem Weg zur Entwicklung funktionsfähiger und nützlicher Nano-Maschinen. Bislang ist das bloß eine Vision: Denn ein Nano-Car kann zwar ein Molekül transportieren – um größere Strukturen zusammenzubauen, benötigt man jedoch unzählige dieser Vehikel. Daher müssen die Forscher einen Weg finden, um eine sehr große Zahl solcher Fahrzeuge rasch und kostengünstig herzustellen – eine knifflige Aufgabe. ■

Jürgen Brück

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