Nanomaschine aus Nanoröhren

Spanische Forscher haben einen winzigen Motor aus zwei koaxialen einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhren gebaut, der vom Temperaturgefälle längs der Röhre angetrieben wird.

Einen winzigen Motor, der ein Goldnanoteilchen etwa 1 µm weit transportieren kann, haben Forscher um Adrian Bachtold am Institut Català de Nanotecnologia in Barcelona entwickelt. Die Nanomaschine besteht aus zwei koaxialen einwandigen Kohlenstoffnanoröhren, wobei die innere Röhre einige Mikrometer lang ist. Sie spielt die Rolle eines Schaftes, auf dem die äußere, viel kürzere Röhre entlang gleiten kann. Angetrieben wird der Motor von einem Temperaturgefälle längs des Schaftes.

Herstellung und Funktionsweise der Nanomaschine hängen eng miteinander zusammen. Die Forscher haben mehrwandige Kohlenstoffnanoröhren auf eine Siliziumoxidunterlage gebracht. An den Enden wurden die Röhren mit elektrischen Kontakten versehen, während in der Röhrenmitte ein Goldplättchen aufgedampft wurde. Anschließend wurde unter solch einer Röhre ein Graben in die Unterlage geätzt, sodass der Mittelteil der Röhre freistehend war. Die Forscher leiteten einen starken elektrischen Strom durch die mehrwandige Röhre. Dabei erhitzte sie sich so stark, dass die äußere Wandung größtenteils verdampfte. Nur in der Nähe des Goldplättchens, das einen Teil der Wärmeenergie aufnahm, blieb ein kurzes Stück der äußeren Nanoröhre erhalten.

Mit einem Rasterkraftmikroskop (AFM) ließ sich das kurze Röhrenstück auf der inneren Röhre wie eine Hülse auf einem Schaft hin- und herschieben. Die Forscher positionierten das bewegliche Röhrenstück etwa in der Mitte des Schaftes. Dann ließen sie erneut einen Strom durch die innere Röhre fließen, der so bemessen war, dass er die beiden Röhren nicht beschädigte. Allerdings erhöhte sich die Temperatur der Röhren so stark, dass der Schmelzpunkt von Gold erreicht wurde und sich das an der Kohlenstoffhülse haftende Goldplättchen in einen Tropfen verwandeln konnte.

Sobald der Strom floss, bewegte sich die Hülse. Sie glitt auf dem Schaft entlang zu einem der beiden elektrischen Kontakte hin, wobei sie mehr oder weniger stark um den Schaft rotierte. Das hing davon ab, wie die Kohlenstoffatome in den beiden Nanoröhren angeordnet waren. Die Bewegung der Hülse folgte den atomaren „Riefen“ auf dem Schaft, die die Form von Schraubenlinien mit einem bestimmten Neigungswinkel hatten. Die Hülse änderte ihre Bewegungsrichtung nicht, wenn der elektrische Strom umgepolt wurde. Dass elektrische oder magnetische Kräfte für die Bewegung der Hülse verantwortlich sind, schließen die Forscher aus. Sie geben eine andere Erklärung.

Der Strom erhitzt die innere Röhre. Da die Wärmeenergie durch die elektrischen Kontakte an den Röhrenenden schnell abgeleitet wird, stellt sich ein starkes Temperaturgefälle vom Mittelteil der Röhre zu ihren Enden hin ein. Die Wärmeenergie wird durch Phononen in Richtung des Temperaturgefälles transportiert. Wenn die Phononen mit der mehrere Nanometer großen Hülse kollidieren, geben sie Impuls an diese ab, der in die Richtung zeigt, wo die Temperatur niedriger ist. Dorthin bewegt sich die Hülse dann. Molekulardynamische Simulationen bestätigen diese Erklärung. Die Nanomaschine wandelt somit einen Teil der Wärmeenergie in gerichtete Bewegung um. Für thermisch getriebene Nanomaschinen gibt es zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten, z. B. als Nanospritze oder als Aktuator.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Amelia Barreiro et al.: Subnanometer Motion of Cargoes Driven by Thermal Gradients Along Carbon Nanotubes. Sciencexpress (10.4.2008).
  http://dx.doi.org/10.1126/science.1155559
• Gruppe von Adrian Bachtold am Institut Català de Nanotecnologia:
  http://www.nanocat.org/dataeng/recerca/qnepriv/qne_home.php

Weitere Literatur:

• B. Bourlon et al.: Carbon Nanotube Based Bearing for Rotational Motions. Nano Lett. 4, 709 (2004).
  http://www.nanocat.org/dataeng/recerca/qnepriv/images/nanoletter.pdf (frei!)
• B. Bourlon et al.: Geometrical Dependence of High-Bias Current in Multiwalled Carbon Nanotubes. Phys. Rev. Lett. 92, 026804 (2004).
  http://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.92.026804
  http://www.nanocat.org/dataeng/recerca/qnepriv/images/bertrand-saturation.pdf (frei!)