Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Auf molekularer Achse in die Nanomechanik

02.09.2005


Forscher am Stuttgarter Max-Planck-Institut für Festkörperforschung nutzen Nanoröhrchen aus Kohlenstoff als Torsionsfedern


Abb. 1: Schema eines auf einem einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufgehängten beweglichen Metallblocks. Wird der Metallblock gedreht, verformt sich das Nanoröhrchen und funktioniert als Torsionsfeder. Bild: Max-Planck-Institut für Festkörperforschung


Abb. 2: Transmissionselektronenmikroskopische Aufnahme eines beweglich aufgehängten Objekts. Eine allein durch die thermische Energie angeregte Torsionsschwingung ist als unscharfe Kante zu erkennen. Die stark vergrößerte Abbildung rechts oben zeigt das rohrförmige Molekül, auf dem der Metallblock befestigt ist. Es hat einen Durchmesser von nur 1,5 Nanometer und ist somit kleiner als die Doppelhelix der DNA. Der Maßstab entspricht 200 Nanometer und - im vergrößerten Ausschnitt - 2 Nanometer. Bild: Max-Planck-Institut für Festkörperforschung



In den vergangenen Jahrzehnten sind nach elektronischen auch mechanische Bauteile auf immer kleinere Dimensionen geschrumpft: Mittels lithografischer Verfahren aus der Mikroelektronik ließen sich winzige mechanische Komponenten und schließlich mikroelektromechanische Systeme herstellen. Einen neuen Grenzstein in Sachen Miniaturisierung haben jetzt Wissenschaftler am Stuttgarter Max-Planck-Institut für Festkörperforschung gesetzt. Ihnen gelang es, mikroskopisch kleine "Paddel" aus Metall schwenkbar auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen von nur eineinhalb millionstel Millimeter Durchmesser zu lagern (Science, 2. September 2005).



Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind langgestreckte Moleküle mit außerordentlichen elektrischen und mechanischen Eigenschaften; insbesondere einwandige Nanoröhrchen bieten sich für elektronische Anwendungen an. Ihr Durchmesser beträgt ein bis drei Nanometer (millionstel Millimeter), etwa vergleichbar dem Durchmesser der DNA-Doppelhelix. Die Stuttgarter Forscher haben untersucht, ob sich mit einwandigen Nanoröhrchen auch mechanische und elektromechanische Komponenten mit winzigen Abmessungen herstellen lassen. Dazu hängten sie lithografisch erzeugte Metallblöcke an einem einzelnen einwandigen Kohlenstoff-Nanoröhrchen auf. Diese Metallblöcke sind unter einem optischen Mikroskop sichtbar, werden aber durch ein fast tausendmal kleineres einzelnes Molekül getragen. Im optischen Mikroskop - wie auch bei kleinerer Vergrößerung im Elektronenmikroskop - sieht man daher ein scheinbar frei schwebendes Objekt. Erst bei höherer Vergrößerung im Transmisions-Elektronenmikroskop lässt sich das Molekül erkennen, das die Struktur trägt.

Das aufgehängte Objekt kann durch ein elektrisches Feld bewegt werden. Dabei dient das Nanoröhrchen als molekulare Achse, die durch Torsion deformiert wird. Die Struktur wird dabei von nur wenigen molekularen Bindungen getragen: Auf einem Querschnitt durch eine Kohlenstoff-Nanoröhre liegen nur etwa 20 Kohlenstoff-Bindungen; die genaue Struktur der Röhrchen bestimmten die Wissenschaftler durch Elektronenbeugung.

Derartige Bauteile könnten als Funktionselemente in nanoelektromechanischen Systemen dienen - etwa als winzige bewegliche Spiegel in optischen Anwendungen, beispielsweise für die Telekommunikation. Ebenso ließen sie sich als Sensoren verwenden, da bereits sehr kleine Kräfte eine Drehung des Metallblocks und damit auch eine Verformung der Nanoröhrchen bewirken. Max-Planck-Forscher Jannik Meyer erwartet, dass sich die elektrische Leitfähigkeit der Nanoröhrchen stark mit deren Verformung ändert - dass also diese Verformung einfach elektrisch detektierbar wäre. So beobachteten die Wissenschaftler, dass bereits die thermische Energie bei Raumtemperatur eine deutlich sichtbare Vibration des Metallblocks hervorruft, was die Empfindlichkeit dieses Systems zeigt.

Meyer und seine Kollegen halten auch kompliziertere mechanische Systeme für denkbar, in denen mehrere frei aufgehängte Objekte untereinander über Nanoröhrchen verbunden sind. Zunächst allerdings geht es darum, das Verhalten von Kohlenstoff-Nanoröhrchen unter Verformung genau zu analysieren. Und so dient das Stuttgarter "Nanopaddel" in jedem Fall als wertvolles Instrument der Grundlagenforschung.

Originalveröffentlichung:

Jannik C. Meyer, Matthieu Paillet, Siegmar Roth
Single-Molecule Torsional Pendulum
Science, 2. September 2005

Dr. Andreas Trepte | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Verfahrenstechnologie:

nachricht Mitarbeiter der Hochschule Ulm entwickeln neue Methode zur Desinfektion von Kontaktlinsen
17.07.2017 | Hochschule Ulm

nachricht Form aus dem Vakuum: Tiefziehen von Dünnglas eröffnet neue Anwendungsfelder
07.07.2017 | Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Verfahrenstechnologie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

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

Im Focus: Einblicke unter die Oberfläche des Mars

Die Region erstreckt sich über gut 1000 Kilometer entlang des Äquators des Mars. Sie heißt Medusae Fossae Formation und über ihren Ursprung ist bislang wenig bekannt. Der Geologe Prof. Dr. Angelo Pio Rossi von der Jacobs University hat gemeinsam mit Dr. Roberto Orosei vom Nationalen Italienischen Institut für Astrophysik in Bologna und weiteren Wissenschaftlern einen Teilbereich dieses Gebietes, genannt Lucus Planum, näher unter die Lupe genommen – mithilfe von Radarfernerkundung.

Wie bei einem Röntgenbild dringen die Strahlen einige Kilometer tief in die Oberfläche des Planeten ein und liefern Informationen über die Struktur, die...

Im Focus: Molekulares Lego

Sie können ihre Farbe wechseln, ihren Spin verändern oder von fest zu flüssig wechseln: Eine bestimmte Klasse von Polymeren besitzt faszinierende Eigenschaften. Wie sie das schaffen, haben Forscher der Uni Würzburg untersucht.

Bei dieser Arbeit handele es sich um ein „Hot Paper“, das interessante und wichtige Aspekte einer neuen Polymerklasse behandelt, die aufgrund ihrer Vielfalt an...

Im Focus: Das Universum in einem Kristall

Dresdener Forscher haben in Zusammenarbeit mit einem internationalen Forscherteam einen unerwarteten experimentellen Zugang zu einem Problem der Allgemeinen Realitätstheorie gefunden. Im Fachmagazin Nature berichten sie, dass es ihnen in neuartigen Materialien und mit Hilfe von thermoelektrischen Messungen gelungen ist, die Schwerkraft-Quantenanomalie nachzuweisen. Erstmals konnten so Quantenanomalien in simulierten Schwerfeldern an einem realen Kristall untersucht werden.

In der Physik spielen Messgrößen wie Energie, Impuls oder elektrische Ladung, welche ihre Erscheinungsform zwar ändern können, aber niemals verloren gehen oder...

Im Focus: Manipulation des Elektronenspins ohne Informationsverlust

Physiker haben eine neue Technik entwickelt, um auf einem Chip den Elektronenspin mit elektrischen Spannungen zu steuern. Mit der neu entwickelten Methode kann der Zerfall des Spins unterdrückt, die enthaltene Information erhalten und über vergleichsweise grosse Distanzen übermittelt werden. Das zeigt ein Team des Departement Physik der Universität Basel und des Swiss Nanoscience Instituts in einer Veröffentlichung in Physical Review X.

Seit einigen Jahren wird weltweit untersucht, wie sich der Spin des Elektrons zur Speicherung und Übertragung von Information nutzen lässt. Der Spin jedes...

Im Focus: Manipulating Electron Spins Without Loss of Information

Physicists have developed a new technique that uses electrical voltages to control the electron spin on a chip. The newly-developed method provides protection from spin decay, meaning that the contained information can be maintained and transmitted over comparatively large distances, as has been demonstrated by a team from the University of Basel’s Department of Physics and the Swiss Nanoscience Institute. The results have been published in Physical Review X.

For several years, researchers have been trying to use the spin of an electron to store and transmit information. The spin of each electron is always coupled...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

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

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungen

Den Nachhaltigkeitskreis schließen: Lebensmittelschutz durch biobasierte Materialien

21.07.2017 | Veranstaltungen

Operatortheorie im Fokus

20.07.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Einblicke unter die Oberfläche des Mars

21.07.2017 | Geowissenschaften

Wegbereiter für Vitamin A in Reis

21.07.2017 | Biowissenschaften Chemie

Den Geheimnissen der Schwarzen Löcher auf der Spur

21.07.2017 | Veranstaltungsnachrichten