Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Das perfekte Baumaterial für Nano-Roboter

22.01.2015

Im Dünnschichtlabor des Max-Planck-Institutes für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart werden Kristalle in Nanometerdimension hergestellt, die als idealer Baustoff für kleinstformatige Roboter dienen können. Diese Faden-Kristalle sind vollkommen im Gefüge und äußerst belastbar: sie behalten auch unter mechanischer Beanspruchung ihre Form langfristig bei. Ein Team internationaler Wissenschaftler berichtet in Zusammenarbeit mit Stuttgarter Physikern über ihre Forschungsergebnisse.

Wechselt man vom Makro- in den Nanobereich, so verändern sich die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Metallen. Dies wussten bereits Forscher und Künstler vor mehreren hundert Jahren.


Nano-Haare, die im Dünnschichtlabor am MPI-IS in Stuttgart hergestellt werden: im Vakuum werden verschiedene Metallgase (z.B. Palladium oder Gold) auf einen Träger aufgedampft. Die haarähnlichen K

Dr. Gunther Richter

Zerkleinert man zum Beispiel das Edelmetall Gold in winzige Goldpartikel mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern, so wird man die typisch goldene Färbung vergebens suchen: die Goldpartikel zeigen nun eine tiefrote Farbe, die bereits vor Jahrhunderten dazu verwendet wurde, beeindruckende Bilder in Kirchenfenstern zu gestalten. Nicht minder überraschend ist, dass die Blaufärbung solcher Malereien von Silberkolloiden stammen, also von Silber-Nanopartikeln.

Doch nicht nur die Farbe verändert sich beim Übergang in den Nanobereich: auch mechanische Eigenschaften, wie zum Beispiel die Fähigkeit zur Verformung ist von der Größe des Gegenstandes abhängig.

Wird beispielsweise wenig Druck auf eine metallische Oberfläche ausgeübt, so ist die Verformung nur vorübergehend. Dies verdeutlicht ein einfaches Beispiel aus dem Alltag: die Karosserie des PKW springt bei geringfügigem Druck in die Ausgangslage zurück. Übersteigt die Krafteinwirkung eine bestimmte Grenze, so ist die Beule im geliebten Autoblech dauerhaft: der Physiker spricht von plastischer Verformung.

Wie hoch die Kraft sein muss, dass aus der reversiblen Einbuchtung eine dauerhafte Beule wird, ist von der Größe der Metallkörpers abhängig: „Grundsätzlich gilt: the smaller, the stronger“, erläutert Dr. Gunther Richter, Leiter des Dünnschichtlabores am MPI-IS in Stuttgart. „Bei Nanostrukturen ist eine vergleichsweise höhere Kraft zur Verformung notwendig, als bei größeren Strukturen, d.h. um den Übergang von elastischer zu plastischer Verformung zu erreichen.“

Gunther Richter stellt diese Nano-Haare in seinem Dünnschichtlabor am MPI-IS in Stuttgart her: mittels Verdampfungsanlage werden verschiedene Metallgase (z.B. Palladium, Silber, Gold) unter Vakuumbedingungen auf einem Träger abgeladen. Dadurch wachsen haarähnliche Kristalle, die gerade einmal 20 µm lang und nur 100 nm im Durchmesser sind.

„Das MPI-IS ist als einzige Einrichtung weltweit dazu in der Lage“, betont Gunther Richter.
Diese im Vakuum gewachsenen Fadenkristalle sind absolut perfekt: sie sind frei von jeglichen Defekten, und ebenmäßig in der (Kristall-)Struktur.
Erst über mechanische Beanspruchung, die zu Verformung führt, werden Defekte in der Struktur eingeführt. Diese Belastungsproben untersuchen die Wissenschaftler im Transmissionselektronenmikroskop und berichteten darüber bereits im sehr renommierten Nature Communications [1].

Die metallischen Nano-Strukturen werden unter Last im Druck und im Zug untersucht: mechanische Verformungen werden erzeugt, die aber vollständig reversibel sind. Dies liegt an der vollkommenen, Defekt-freien Struktur. Die Stuttgarter Fadenkristalle halten somit Spannungen extrem gut aus, ohne dass die Form des Nano-Objektes langfristig verändert wird.

Anders sieht es aus, wenn solche Faden-Kristalle in der Flüssigphase hergestellt werden: die Struktur ist defekt-behaftet und nicht so gleichmäßig wie bei der Vakuum-Variante. Im Transmissionselektronenmikroskop sehen die Forscher den entscheidenden Unterschied: bei zyklischer Belastung verändert sich der Nano-Kristall aufgrund plastischer Verformung [2]. Faden-Kristalle, die in Flüssigkeiten gezogen wurden, reagieren somit instabiler auf mechanische Belastung.

Dies macht die Faden-Kristalle, die am MPI-IS hergestellt werden zum idealen Baustoff für intelligente Systeme im Nano-Format: sie sind äußerst belastbar, verbrauchen wenig Energie und reagieren reversibel auf mechanische Belastungen: sie springen immer wieder in die Ausgangsform zurück.

Die Wissenschaftler haben sich bereits die nächsten Ziele gesteckt: sie möchten untersuchen, ob und wie sich mechanische und auch magnetische Eigenschaften von Nano-Kristallen unter thermischer Belastung verändern.

Das Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart und Tübingen

Die Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme wollen die Prinzipien von Wahrnehmen, Lernen und Handeln in autonomen Systemen verstehen. Als „intelligent“ werden Systeme bezeichnet, die erfolgreich weiterarbeiten und funktionieren, während sie zugleich ihre Struktur und Eigenschaften immer wieder an eine vielgestaltige und sich verändernde Umgebung anpassen. Das Verständnis wollen die Forscher nutzen, um zukünftige Systeme zu entwickeln.
Die Wissenschaftler des Instituts studieren diese Prinzipien in biologischen, hybriden und Computer-Systemen sowie in Materialien. Das Spektrum reicht dabei vom Nano- bis zum Makrobereich.

Literatur:
[1] Lee S.; Im J.; Yoo Y.; Bitzek E.; Kiener D.; Richter, G.; Kim B.; Ho Oh S.: Reversible cyclic deformation mechanism of gold nanowires by twinning-detwinning transition evidenced from in situ TEM. Nat Commun. 2014; 5:3033. doi: 10.1038/ncomms4033
[2] Qin Q.; Yin S.; Cheng G.; Li X.; Chang T.-H.; Richter G.; Zhu Y.; Gao H.: Recoverable plasticity in penta-twinned metallic nanowires governed by dislocation nucleation and retraction. Nat Commun. 2015; 6:5983. doi: 10.1038/ncomms6983

Weitere Informationen:

http://www.is.mpg.de/de/duennschicht

Annette Stumpf | Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Materialwissenschaften:

nachricht Neue Biotinte für den Druck gewebeähnlicher Strukturen
19.10.2017 | Forschungszentrum Jülich, Jülich Centre for Neutron Science

nachricht Was winzige Strukturen über Materialeigenschaften verraten
19.10.2017 | Ruhr-Universität Bochum

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Materialwissenschaften >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Hochfeldmagnet am BER II: Einblick in eine versteckte Ordnung

Seit dreißig Jahren gibt eine bestimmte Uranverbindung der Forschung Rätsel auf. Obwohl die Kristallstruktur einfach ist, versteht niemand, was beim Abkühlen unter eine bestimmte Temperatur genau passiert. Offenbar entsteht eine so genannte „versteckte Ordnung“, deren Natur völlig unklar ist. Nun haben Physiker erstmals diese versteckte Ordnung näher charakterisiert und auf mikroskopischer Skala untersucht. Dazu nutzten sie den Hochfeldmagneten am HZB, der Neutronenexperimente unter extrem hohen magnetischen Feldern ermöglicht.

Kristalle aus den Elementen Uran, Ruthenium, Rhodium und Silizium haben eine geometrisch einfache Struktur und sollten keine Geheimnisse mehr bergen. Doch das...

Im Focus: Schmetterlingsflügel inspiriert Photovoltaik: Absorption lässt sich um bis zu 200 Prozent steigern

Sonnenlicht, das von Solarzellen reflektiert wird, geht als ungenutzte Energie verloren. Die Flügel des Schmetterlings „Gewöhnliche Rose“ (Pachliopta aristolochiae) zeichnen sich durch Nanostrukturen aus, kleinste Löcher, die Licht über ein breites Spektrum deutlich besser absorbieren als glatte Oberflächen. Forschern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es nun gelungen, diese Nanostrukturen auf Solarzellen zu übertragen und deren Licht-Absorptionsrate so um bis zu 200 Prozent zu steigern. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Wissenschaftler nun im Fachmagazin Science Advances. DOI: 10.1126/sciadv.1700232

„Der von uns untersuchte Schmetterling hat eine augenscheinliche Besonderheit: Er ist extrem dunkelschwarz. Das liegt daran, dass er für eine optimale...

Im Focus: Schnelle individualisierte Therapiewahl durch Sortierung von Biomolekülen und Zellen mit Licht

Im Blut zirkulierende Biomoleküle und Zellen sind Träger diagnostischer Information, deren Analyse hochwirksame, individuelle Therapien ermöglichen. Um diese Information zu erschließen, haben Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT ein Mikrochip-basiertes Diagnosegerät entwickelt: Der »AnaLighter« analysiert und sortiert klinisch relevante Biomoleküle und Zellen in einer Blutprobe mit Licht. Dadurch können Frühdiagnosen beispielsweise von Tumor- sowie Herz-Kreislauf-Erkrankungen gestellt und patientenindividuelle Therapien eingeleitet werden. Experten des Fraunhofer ILT stellen diese Technologie vom 13.–16. November auf der COMPAMED 2017 in Düsseldorf vor.

Der »AnaLighter« ist ein kompaktes Diagnosegerät zum Sortieren von Zellen und Biomolekülen. Sein technologischer Kern basiert auf einem optisch schaltbaren...

Im Focus: Neue Möglichkeiten für die Immuntherapie beim Lungenkrebs entdeckt

Eine gemeinsame Studie der Universität Bern und des Inselspitals Bern zeigt, dass spezielle Bindegewebszellen, die in normalen Blutgefässen die Wände abdichten, bei Lungenkrebs nicht mehr richtig funktionieren. Zusätzlich unterdrücken sie die immunologische Bekämpfung des Tumors. Die Resultate legen nahe, dass diese Zellen ein neues Ziel für die Immuntherapie gegen Lungenkarzinome sein könnten.

Lungenkarzinome sind die häufigste Krebsform weltweit. Jährlich werden 1.8 Millionen Neudiagnosen gestellt; und 2016 starben 1.6 Millionen Menschen an der...

Im Focus: Sicheres Bezahlen ohne Datenspur

Ob als Smartphone-App für die Fahrkarte im Nahverkehr, als Geldwertkarten für das Schwimmbad oder in Form einer Bonuskarte für den Supermarkt: Für viele gehören „elektronische Geldbörsen“ längst zum Alltag. Doch vielen Kunden ist nicht klar, dass sie mit der Nutzung dieser Angebote weitestgehend auf ihre Privatsphäre verzichten. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) entsteht ein sicheres und anonymes System, das gleichzeitig Alltagstauglichkeit verspricht. Es wird nun auf der Konferenz ACM CCS 2017 in den USA vorgestellt.

Es ist vor allem das fehlende Problembewusstsein, das den Informatiker Andy Rupp von der Arbeitsgruppe „Kryptographie und Sicherheit“ am KIT immer wieder...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Das Immunsystem in Extremsituationen

19.10.2017 | Veranstaltungen

Die jungen forschungsstarken Unis Europas tagen in Ulm - YERUN Tagung in Ulm

19.10.2017 | Veranstaltungen

Bauphysiktagung der TU Kaiserslautern befasst sich mit energieeffizienten Gebäuden

19.10.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Forscher finden Hinweise auf verknotete Chromosomen im Erbgut

20.10.2017 | Biowissenschaften Chemie

Saugmaschinen machen Waschwässer von Binnenschiffen sauberer

20.10.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Strukturbiologieforschung in Berlin: DFG bewilligt Mittel für neue Hochleistungsmikroskope

20.10.2017 | Förderungen Preise