Weltkleinstes Radio passt 10.000 mal in ein Haar

Winzig, simpel, aber genial: Ein Radio aus einem einzigen Nanoröhrchen dürfte nicht nur den Größenrekord halten, es empfängt auch die Radiosignale auf völlig neue Weise: Es setzt die elektromagnetischen Wellen direkt in Vibrationen um und ist damit gleichzeitig Antenne, Tuner, Demodulator und Verstärker in einem.

Antenne des Nanoradios
Antenne des Nanoradios

Berkeley (USA) - Es braucht nur noch Batterie und Lautsprecher, um Rundfunksendungen im heute üblichen Frequenzbereich wiederzugeben. Außerdem kann der Winzling umgekehrt auch als Antenne dienen. Zur Premiere empfingen die Forscher aus den USA die Stücke "Layla", "Good Vibrations" und -- als Hommage an die erste US-Radioübertragung 1906 -- das "Largo" aus der Händel-Oper "Xerxes". Die Nano-Radio-Technik eignet sich aber nicht nur zur Rundfunkübertragung, sondern auch für winzige Funkempfänger und -sender, die sich in mikroelektronische Schaltkreise integrieren lassen. Zudem funktioniert die Methode auch noch sehr effizient und ist relativ einfach herzustellen. Das macht radikal neue Anwendungen möglich, so die Forscher, etwa funkgesteuerte Mikrogeräte im Blutkreislauf oder Sensoren, die ihre Messwerte selbstständig per Funk übermitteln. Sie berichten im Fachblatt "Nano Letters".

"Dieses einzelne Nanoröhrchen tut alles: es verrichtet alle Radiofunktionen gleichzeitig und extrem effizient. Es ist lächerlich einfach -- das macht seine Schönheit aus", erklärt Alex Zettl, Physik-Professor am Center of Integrated Nanomechanical Systems (COINS) der University of California Berkeley. Sein Team entwickelte das neuartige Radio aus einem einzigen Kohlenstoffröhrchen, rund 10 Nanometer (Milliardstel Meter) dick oder ein Zehntausendstel vom Durchmesser eines menschlichen Haares. Diese Röhrchen aus gerollten Kohlenstoff-Flächen sind extrem stabil und zeigen ungewöhnliche elektronische Eigenschaften. Wenn sie die richtige Länge haben und richtig "angezapft" werden, so entdeckten die kalifornischen Forscher, so reagieren sie als Radio auf Funksignale.

Herkömmliche analoge Radiogeräte empfangen und verarbeiten die Rundfunksignale, indem diese elektromagnetischen Wellen in der Metallantenne elektrische Schwingungen auslösen. Ein Tuner oder Kanalwähler beschränkt das Signal auf einen ganz engen Frequenzbereich der Schwingungen, die Signale einer einzigen Sendestation, der Verstärker verstärkt die ausgewählten Signale und der Demodulator entfernt das Trägersignal und gibt die Informationen an Lautsprecher oder Kopfhörer weiter, wo die Schallmembran sie in mechanische, hörbare Schwingungen umsetzt.

Das Nanoradio vereint all diese Schritte, da es bereits an der Empfangsantenne die elektromagnetischen Signale direkt in mechanische Schwingungen wandelt. Die Forscher platzierten das Nanoröhrchen im Vakuum und verbanden es mit einer Batterie, die eins seiner Enden mit negativ geladenen Elektronen belädt. Kommt eine elektromagnetische Funkwelle vorbei, so bringt ihr schwingendes Wechselfeld dieses geladene Ende des Nanoröhrchens zum Schwingen. Das Feld schiebt und zieht quasi an der Röhrchenspitze, Tausende bis Millionen Mal pro Sekunde, und erzeugt dadurch mechanische Schwingungen von Kilo- bis MegaHertz -- dem üblichen Frequenzbereich heutiger Radios. Welche Frequenz und damit welche Radiostation das Nanoradio empfing, hängt eigentlich von der Länge des Röhrchens ab -- je nach Länge schwingt das Röhrchen nach Anregung in bestimmten Eigenfrequenzen. Doch die Forscher konnten auch dies gezielt beeinflussen, indem sie -- wie bei einer gespannten Gitarrensaite -- die innere Spannung des Nanoröhrchens veränderten: Mit einer positiv geladenen Elektrode "zogen" sie an der freien Spitze und konnten mit diesem "Tuner" den gesamten heute üblichen Frequenzbereich durchlaufen. Die positiv geladene Elektrode macht das Nanoröhrchen gleichzeitig zum Verstärker, berichtet Zettl. Weil die Spannung hoch genug ist, um von der Röhrchenspitze Elektronen abzuziehen, während das Röhrchen gleichzeitig vibriert, stellt der Elektronenstrom von der Spitze eine verstärkte Version des eintreffenden Funksignals dar. Das entspricht der Feldemissionsverstärkung alter Vakuumröhren-Verstärker, erklärt Zettl, wie sie in den Frühzeiten von Radio und Fernsehen im Einsatz waren. Gleichzeitig sorgt das Zusammenspiel von Feldemission und Vibration dafür, das Signal zu demodulieren -- also die hochfrequente Trägerschwingung zu entfernen, so dass nur die aufmodulierte niederfrequentere Signal übrigbleibt, das die Information enthält. Das so aus dem Röhrchen kommende Signal ist letztendlich stark genug, für hochempfindliche Kopfhörer oder Lautsprecher.

Auch die Herstellung des Nanoradios gestaltet sich sehr einfach. Mehrere Nanotubes, wie sie in großen Mengen im Lichtbogen hergestellt werden, klebten sie auf eine Elektrode, die sie in eine Vakuumkammer platzierten. Eine zweite Elektrode im Abstand von nur wenigen Mikrometern sorgte dafür, dass Elektronen übersprangen und einen eklektrischen Stromkreis bildeten. Auf die gewünschte Länge ließen sich die Röhren bringen, wenn die Forscher hier einen hohen Strom durch die Röhren schickten, so dass ganze Kohlenstoffatome die Spitze verließen und die Röhre so entsprechend kürzer wurde.

Dreht man den Aufbau des Radioempfängers um, so lässt er sich laut Forscherteam auch als Signale sendender Transmitter nutzen. Zettl plant sogar, daraus eine Art Massenspektrometer zu konstruieren: Ein gewisses Kratzen, die so genannte Statik, lässt sich beim Nanoradio schwer vermeiden: Das Geräusch stammt laut Zettl von Atomen im unvollkommenen Vakuum, die an die Röhrenspitze heran und wieder weg springen. Mit ein wenig Verfeinerung hofft der Forscher, dass sich daraus eines Tages die Art der Atome oder sogar ihre Masse ablesen lässt.