Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Publikation in Nature Physics: Kuppeln im Nanobereich

06.10.2015

Nicht nur jeder herkömmliche Pkw hat eine, sondern sie kann auch im mikroskopischen Reich realisiert werden: die Kupplung. Physiker unter anderem von der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf haben untersucht, wie sich auch auf kleinsten Größenskalen mechanische Kräfte übertragen lassen. Von solchen Nanokupplungen berichten sie nun in der Fachzeitschrift Nature Physics.

Wenn ein Autofahrer auf das Kupplungspedal tritt, denkt er kaum daran: durch die Kupplung wird das Drehmoment des Motors auf das Getriebe und weiter auf den Antriebsstrang und schließlich die Räder seines Fahrzeugs übertragen.


Nanokupplung: Bringt man den äußeren Ring von Teilchen in Rotati-on, so überträgt sich diese Drehung auch auf die inneren Teilchen und damit die zentrale Achse. (Abbildung: Prof. Dr. Hartmut Löwen, Institut für Theoretische Physik II, HHU)

In unserer makroskopischen Alltagswelt sind Kupplungen seit langem getestet und optimiert. Doch wie funktioniert die Kraftübertragung im Nanometerbereich (ein Nanometer = ein milliardstel Meter), wo eine zähe Trägerflüssigkeit zwischen den Kupplungselementen Energie verschleißt und zudem thermische Fluktuationen eine große Rolle spielen?

Ein internationales Wissenschaftlerteam aus Santa Barbara, Princeton, Bristol, Mainz und Düsseldorf hat gemeinsam eine Kupplung im Nanobereich aufgebaut. An ihr haben sie die Drehmomentübertragung experimentell nachgewiesen und auch theoretisch analysiert.

Die Nanokopplung sieht freilich anders aus als diejenige in Pkw. Die Forscher benutzen einen Ring aus Kolloidteilchen, Nanometer großen Teilchen also, die hier in einem zähflüssigen Medium schwimmen. Diese Teilchen werden gezielt mit Licht bestrahlt, wodurch auf sie eine Kraft ausgeübt wird. Durch diese so genannte optische Pinzette werden die Teilchen in Rotation versetzt und übertragen ihre Drehung auf andere, vom Ring eingeschlossene Teilchen.

„Das Ding sieht etwa so aus wie eine rotierende Waschmaschinentrommel, aber alle Abmessungen sind winzig klein.“, sagt Dr. Patrick Royall von der Universität Bristol. Seine Arbeitsgruppe hat mit optischen Methoden den Ring deformiert und dann die Drehmomentübertragung auf die inneren Teilchen nachgewiesen.

Theoretische Physiker der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) simulierten die Nanokupplung auf dem Computer und entwickelten dazu theoretische Modelle. Sie wiesen nach, dass der Wirkungsgrad der Nanokupplung zwar klein ist, aber durch geeignete Wahl von Systemparametern optimiert werden kann. Sie identifizierten dabei drei verschiedene Transfersituationen: einen inneren Festkörper, der das Drehmoment optimal aufnimmt wie ein passgenaues Zahnrad; eine innere Flüssigkeit mit hohen Reibungsverlusten; und eine für den Nanobereich charakteristische Reiß-Rutsch-Kombination.

Doch wozu benötigt man eine Nanokupplung? Dazu Prof. Dr. Hartmut Löwen vom Institut für Theoretische Physik II der HHU: „Das grundlegende Verständnis des Kuppelprozesses wird uns bei der Konstruktion von Nanomaschinen helfen, bei denen ein Drehmomenttransfer absolut wesentlich ist“. Solche Maschinen können in Zukunft möglicherweise Strukturen aus atomaren Bausteinen zusammensetzen oder im Körper aktiv auf Ebene von Zellbausteinen gezielt Krankheitserreger bekämpfen.

Originalpublikation
Ian Williams, Erdal C. Oğuz, Thomas Speck, Paul Bartlett, Hartmut Löwen and C. Patrick Royall, Transmission of torque at the nanoscale, Nature Physics, Vol 11, October 2015
DOI: 10.1038/NPHYS3490

Kontakt
Prof. Dr. Hartmut Löwen
Institut für Theoretische Physik II
Tel.: +49 (0)211 81 11377
E-Mail: hlowen@thphy.uni-duesseldorf.de

Dr.rer.nat. Arne Claussen | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
http://www.hhu.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Max-Planck-Princeton-Partnerschaft in der Fusionsforschung bestätigt
23.11.2017 | Max-Planck-Institut für Plasmaphysik

nachricht Magnetfeld-Sensor Argus „sieht“ Kräfte im Bauteil
23.11.2017 | Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Reibungswärme treibt hydrothermale Aktivität auf Enceladus an

Computersimulation zeigt, wie der Eismond Wasser in einem porösen Gesteinskern aufheizt

Wärme aus der Reibung von Gestein, ausgelöst durch starke Gezeitenkräfte, könnte der „Motor“ für die hydrothermale Aktivität auf dem Saturnmond Enceladus sein....

Im Focus: Frictional Heat Powers Hydrothermal Activity on Enceladus

Computer simulation shows how the icy moon heats water in a porous rock core

Heat from the friction of rocks caused by tidal forces could be the “engine” for the hydrothermal activity on Saturn's moon Enceladus. This presupposes that...

Im Focus: Kleine Strukturen – große Wirkung

Innovative Schutzschicht für geringen Verbrauch künftiger Rolls-Royce Flugtriebwerke entwickelt

Gemeinsam mit Rolls-Royce Deutschland hat das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS im Rahmen von zwei Vorhaben aus dem...

Im Focus: Nanoparticles help with malaria diagnosis – new rapid test in development

The WHO reports an estimated 429,000 malaria deaths each year. The disease mostly affects tropical and subtropical regions and in particular the African continent. The Fraunhofer Institute for Silicate Research ISC teamed up with the Fraunhofer Institute for Molecular Biology and Applied Ecology IME and the Institute of Tropical Medicine at the University of Tübingen for a new test method to detect malaria parasites in blood. The idea of the research project “NanoFRET” is to develop a highly sensitive and reliable rapid diagnostic test so that patient treatment can begin as early as possible.

Malaria is caused by parasites transmitted by mosquito bite. The most dangerous form of malaria is malaria tropica. Left untreated, it is fatal in most cases....

Im Focus: Transparente Beschichtung für Alltagsanwendungen

Sport- und Outdoorbekleidung, die Wasser und Schmutz abweist, oder Windschutzscheiben, an denen kein Wasser kondensiert – viele alltägliche Produkte können von stark wasserabweisenden Beschichtungen profitieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) haben Forscher um Dr. Bastian E. Rapp einen Werkstoff für solche Beschichtungen entwickelt, der sowohl transparent als auch abriebfest ist: „Fluoropor“, einen fluorierten Polymerschaum mit durchgehender Nano-/Mikrostruktur. Sie stellen ihn in Nature Scientific Reports vor. (DOI: 10.1038/s41598-017-15287-8)

In der Natur ist das Phänomen vor allem bei Lotuspflanzen bekannt: Wassertropfen perlen von der Blattoberfläche einfach ab. Diesen Lotuseffekt ahmen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Ecology Across Borders: International conference brings together 1,500 ecologists

15.11.2017 | Event News

Road into laboratory: Users discuss biaxial fatigue-testing for car and truck wheel

15.11.2017 | Event News

#Berlin5GWeek: The right network for Industry 4.0

30.10.2017 | Event News

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Kinderanästhesie aktuell: Symposium für Ärzte und Pflegekräfte

23.11.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Seminar „Leichtbau im Automobil- und Maschinenbau“ im Haus der Technik Berlin am 16. - 17. Januar 2018

23.11.2017 | Seminare Workshops

Biohausbau-Unternehmen Baufritz erhält von „ Capital“ die Auszeichnung „Beste Ausbilder Deutschlands“

23.11.2017 | Unternehmensmeldung