Forscher bauen kleinsten Düsenantrieb der Welt

Dünne Schichten, die sich selbst zu winzigen Mikro- und Nanoröhren zusammenrollen, sausen mit eigenem Antrieb und von Magneten gesteuert durch Flüssigkeiten: Dresdner Wissenschaftler haben den kleinsten von Menschenhand hergestellten Düsenantrieb der Welt erzeugt. Dieser Rekord wurde jetzt auch von „Guinness World Records ltd.“ bestätigt.

Der Mini-Düsenantrieb misst gerade mal 600 Nanometer im Durchmesser und wiegt ein Picogramm – 10 hoch minus 15 Kilogramm. Hergestellt und demonstriert wurde die winzige Rakete von Alex A. Solovev, Samuel Sanchez, Yongfeng Mei und Oliver G. Schmidt vom Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung (IFW Dresden). Dabei ging es den Forschern aber weniger darum, einen Rekord der Winzigkeit aufzustellen als vielmehr neue Funktionalitäten damit zu verbinden.

Komplexe Nanomaschinen transportieren Medikamente

Die Vision der Wissenschaftler ist es, komplexe Nanomaschinen zu konstruieren und herzustellen, die zum Beispiel in der Lage sind, kleinste Mengen von Medikamenten zu transportieren und gezielt an einem geeigneten Ort abzuliefern. Nach dem Vorbild biologischer Mikroorganismen sollen künstliche Mikromaschinen die chemische Energie ihrer Umgebung nutzen und sie für die eigene Fortbewegung verwenden.

Für derartige Mikro- und Nanoraketen mit eigenem Antrieb hat das Forscherteam um Schmidt bereits konkrete Ideen: Für die selbstgetriebenen Mikro-Container werden üblicherweise Titan-, Eisen- und Platinschichten zu Röhren von circa fünf Mikrometern Durchmesser und rund 50 Mikrometern Länge aufgerollt.

Sauerstoffblasen sorgen für gerichtete Bewegung

Die innerste Schicht dieser Mikroröhren besteht aus Platin und dient gleichzeitig als Katalysator in der Reaktion von Wasserstoffperoxid zu Wasser und Sauerstoff. Dabei bilden sich Sauerstoffblasen, die aus den Mikro- oder Nanoröhren herausgestoßen werden und so zu einer schnellen und gerichteten Bewegung der Röhrchen führen. Durch ein äußeres Magnetfeld können Bewegung, Beschleunigung und Richtungsänderungen der Röhrchen den Forschern zufolge auf sehr einfache Weise ferngesteuert werden.

Mehr noch: auch das Be- und Entladen der durch die Mikro-Röhren transportierten Fracht ist möglich und durch ein Magnetfeld präzise steuerbar. In ersten Experimenten konnten bereits bis zu 60 Styroporkügelchen und einige metallische Nanoplättchen durch die Flüssigkeit transportiert werden.

Selbstgetriebene Mikroraketen mit Enzymen als Katalysator

Eine weitere vielversprechende Anwendungsmöglichkeit ist nach Angaben der Wissenschaftler die Entwicklung selbstgetriebener Mikroraketen mit Enzymen als Katalysator. Diese bestehen aus aufgerollten Titan-Gold-Schichten und dem Enzym Katalase, das in Zellen von Lebewesen verbreitet ist und Wasserstoffperoxid sehr effektiv in Sauerstoff und Wasser zersetzt.

Dadurch wird die Antriebskraft deutlich gesteigert, so dass zehnmal höhere Geschwindigkeiten erreicht werden als zuvor. Außerdem sind Mikro-Antriebe dieser Art besser für eine Anwendung in biologischen Systemen geeignet.

Dünne Schichten aus Titan, Eisen und Platin

Die Mikro- und Nanoröhrchen werden nach Angaben der Forscher durch die Technologie des Verspannungs-getriebenen Aufrollens dünner Schichten aus Titan, Eisen und Platin hergestellt. Dabei werden dünne Schichten so auf Oberflächen abgeschieden, dass die Schichten unter extrem hoher mechanischer Spannung stehen.

Beim Ablösen der Schichten wird ein Teil der Verspannungsenergie freigesetzt, so dass sich die Schicht aufrollt oder verformt. Auf diese Weise können Nano- und Mikroröhren mit großer Präzision in bestimmten Durchmessern und aus ganz verschiedenen Materialien reproduzierbar hergestellt werden.

(Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden, 09.03.2011 – DLO)