Die Konstruktion von Motoren für Fahrzeuge in der Nanowelt macht allmählich Fortschritte.
Aus: Spektrum der Wissenschaft, April 2010
Im Film "Die phantastische Reise" von 1966 navigieren geschrumpfte Wissenschaftler mit einem Mini-U-Boot durch den Kreislauf eines Patienten, um ein Blutgerinnsel im Gehirn zu entfernen. Nanoroboter haben diese Vision der Verwirklichung heute ein kleines Stück näher gebracht.
Aber immer noch türmen sich enorme Hürden auf. Eine ist schlicht der Antrieb für das Gefährt. So haben Forscher von der Rice-Universität in Houston (Texas) zwar vor fünf Jahren ein molekulares Nanoauto mit Rädern gebaut. Aber genau betrachtet, ist es nur eine Seifenkiste ohne Motor.
In der Tat ist schwer vorstellbar, wie ein Motor in so winzigen Dimensionen funktionieren soll. Und wo nimmt man den Platz für den Treibstoff her? Erschwert wird das Problem dadurch, dass für Nanoobjekte Wasser so zäh wie Sirup ist. Sie fortzubewegen erfordert deshalb besonders viel Kraft.
Im Aprilheft von Spektrum der Wissenschaft berichten Thomas E. Mallouk und Ayusman Sen von der Pennsylvania State University über Ansätze zur Lösung dieses Problems. Ein ebenso einfacher wie eleganter Kunstgriff ist, dem Nanoroboter den Treibstoff nicht mitzugeben, sondern ihn von außen zuzuführen. Das Mini-U-Boot nutzt dann Substanzen in seiner Umgebung, zum Beispiel Zucker im Blut, als Kraftstoff.
Als einfachstes Beispiel entwarfen die beiden Forscher einen Metallstab in der Größe eines Bakteriums, der auf der einen Seite aus Gold und auf der anderen aus Platin besteht. Wirft man ihn in eine wässrige Lösung von Wasserstoffperoxid, das auch als "Superoxid" zum Blondieren von Haaren dient, so bewegt er sich fort. Der Grund ist, dass das Platin das Peroxid zersetzt, wobei Sauerstoffblasen entstehen, die mit ihrem Rückstoß den Stab bewegen.
Doch wie lässt sich diese Bewegung steuern? Nanoroboter sind so klein, dass sie durch die Brownsche Molekularbewegung unablässig in alle Richtungen geschubst werden. Deshalb folgt der Metallstab einem wilden Zickzack-Kurs.
Eine naheliegende Möglichkeit, die Irrfahrt in geordnete Bahnen zu lenken, ist der Einsatz eines Magneten. Dazu muss man die Stäbe nur mit einem magnetisierbaren Material ausstatten. Dann orientieren sie sich wie eine Kompassnadel parallel zu den äußeren Feldlinien und bewegen sich in die entsprechende Richtung.
Besser wäre es jedoch, wenn die Nanoroboter von sich aus steuern könnten und nicht von außen gelenkt werden müssten. Auch das konnten Mitarbeiter von Mallouk und Sen erreichen. Dazu tränkten sie Gelteilchen mit Wasserstoffperoxid und warfen sie ins Wasser. Daraufhin schwammen die Stäbe in Richtung zunehmender Treibstoffkonzentration und damit auf die Partikel zu.
Interessanterweise funktioniert dasselbe auch mit einer Lichtquelle. Dabei nutzen die Nanomotoren die Strahlungsenergie zum Aufbrechen von Molekülen, so dass positive und negative Ionen entstehen. Da diese unterschiedlich schnell wegdiffundieren, erzeugen sie ein elektrisches Feld, das die Teilchen antreibt. Statt zu versuchen, gegen die Brownsche Bewegung anzukommen, kann man sie allerdings auch für sich einspannen. Viele biologische Motoren machen das. Sie basieren auf dem Prinzip der Sperrklinke, die Energie aus einer chemischen Reaktion nicht zum direkten Antrieb nutzt, sondern dazu, Stöße der Brownschen Bewegung nur dann zu erlauben, wenn sie in die gewünschte Richtung gehen, während solche in der Gegenrichtung blockiert werden. Seit einigen Jahren erproben Forscher diese Strategie auch bei Nanorobotern.
Ein Verfahren zur Fortbewegung und Lenkung, das ganz ohne chemischen Treibstoff auskommt, haben dagegen Orlin Velev und seine Mitarbeiter an der North Carolina State University in Raleigh ersonnen. Ihre "Fahrzeuge" enthalten eine Diode, die elektrischen Strom nur in einer Richtung durchlässt. Sie konvertiert ein angelegtes elektrisches Wechselfeld in der Nähe des Objekts in ein statisches Feld, das in eine konstante Richtung zeigt. Dadurch erzeugt es eine Kraft, die einen Schub bewirkt.
Dank der Fortschritte in der Halbleitertechnologie lassen sich inzwischen Dioden mit Abmessungen weit unter einem Mikrometer herstellen; molekulare Versionen mit nur zwei oder drei Nanometer Länge können Chemiker schon lange synthetisieren. Damit wäre ein mikroskopisches Skalpell denkbar, das Motor-, Lenkungs- und Sensorkomponenten auf einem winzigen Siliziumchip vereinigt. Es ließe sich mit Radiofrequenzfeldern, die vom Körper nicht absorbiert werden, drahtlos aus der Ferne antreiben und an sein Ziel steuern. Versehen mit einer extrem feinen Nadel, könnte es dort als winziges chirurgisches Instrument dienen. Damit wäre die "phantastische Reise" aus dem Reich der Science-fiction schon fast in die Realität geholt.
