Er ist 500 Mal kleiner als ein Salzkorn, läuft aber so schnell wie ein Flugzeugtriebwerk: US-Forscher haben den kleinsten, schnellsten und ausdauerndsten Nanomotor der Welt konstruiert. Er besteht aus Metall, passt in eine Zelle und kann seinen Propeller beispielsweise als Antrieb nutzen oder um Medikamente zu verteilen.
Nano-Elektromechanische Systeme (NEMS) gelten als vielversprechende Zukunftstechnologie. Diese winzigen Nanomaschinen könnten Medikamente im Körper gezielt an ihren Wirkort bringen, als Bauroboter sich und andere Bauteile replizieren und zusammensetzen , aber auch als eine Art mobile Nano-Einsatztruppe giftige oder gesundheitsschädliche Substanzen erkennen und vielleicht direkt deaktivieren.
Kleiner schneller, effizienter
Versuche, solche Nanomotoren zu konstruieren, gibt es bereits einige. Einige Forschergruppen nutzen dabei biologische Materialien und Moleküle als Ausgangspunkt, andere setzen eher auf die extreme Miniaturisierung technischer Bauteile. Bisher allerdings ist die Konstruktion aufwändig und die resultierenden Motoren wenig effektiv. Forscher um Donglei Fan von der University of Texas in Austin haben nun eine synthetische Miniaturmaschine entwickelt, die kleiner, schneller und energieeffizienter ist als alle seine Vorgänger.
Konstruiert ist der neue Nanomotor nach dem Bottom-Up-Prinzip: Die Forscher bauten ihn aus Nanodrähten, Magneten und winzigen Mikroelektroden zusammen, wechselnde elektrische Felder halfen dabei, die Nanobauteile zu bewegen und zu verbinden. Der fertige Motor ähnelt einem Zylinder mit aufgesetztem Propeller. Er ist mitsamt Propeller kleiner als ein Mikrometer groß und würde daher in eine menschliche Zelle hineinpassen.
Schnell wie ein Düsentriebwerk
Das Besondere ist aber nicht nur seine geringe Größe, der Nanomotor ist auch besonders leistungsfähig: Bisherige Nanomotoren schafften nur zwischen 14 und 500 Umdrehungen pro Minute. Der texanische Motor dreht sich dagegen mit bis zu 18.000 Umdrehungen pro Minute – das ist mit der Geschwindigkeit eines Düsentriebwerks vergleichbar, wie die Forscher erklären.
Die Energie für den Motor liefern elektrische Felder, über sie lassen sich die Rotoren auch an- und ausschalten und in ihrer Drehrichtung ändern. Auf diese Weise können die Nanomotoren 15 Stunden am Stück rotieren – 240.000 Zyklen lang – ohne schlappzumachen. Bisherige Nanomotoren schafften meist nur wenige Sekunden bis Minuten, so Fan und ihre Kollegen. Die Rotation kann dafür genutzt werden, die Nanomaschinen vorwärts zu bewegen oder aber um eine Flüssigkeit zu durchmischen.
Wirkstoffverteilung mit Propeller
Wie das funktioniert, testeten die Forscher in einem ersten Anwendungstest: Sie beschichteten die Oberfläche des Nanorotors mit einem chemischen Stoff und ließen ihn in unterschiedlicher Geschwindigkeit rotieren. Dann ermittelten sie, wie viel von der Chemikalie jeweils in der Umgebung des Motors verteilt worden war.
„Wir konnten die Rate der Molekülabgabe über die mechanische Rotation kontrollieren – das bedeutet, dass unser Nanomotor der erste ist, bei dem man die Wirkstoff-Freisetzung so steuern kann“, erklärt Fan. „Das wird dazu beitragen, die Erforschung von neuen Wegen der Wirkstoff-Freisetzung und Zellkommunikation voranzubringen.“ Auch eine Kombination mehrerer Nanomaschinen zu einem Array ist möglich, so die Forscher. Je nachdem, ob dann ihre Rotation synchron oder asynchron läuft, eröffnet dies weitere Variationsmöglichkeiten.
„Die hier vorgestellten Innovationen in Konzeption, Design und Umsetzung sind relevant für Nano-Elektromechanische Systeme, die Nanomedizin, Mikrofluidik und Lab-on-a-Chip-Architekturen“, konstatieren die Forscher. Sie wollen als Nächstes ihre Nanomaschinen im Umfeld lebender Zellen testen. Außerdem planen sie, sie mit chemischen Sensoren und weiteren mechanischen Kontrollen auszurüsten. (Nature Communications, 2014; doi: 10.1038/ncomms4632)
(University of Texas at Austin, 21.05.2014 – NPO)
