nanometergroße Schichten rollen sich auf

Nanoröhrchen: Von aufgerollten Teppichen...

Was haben Teppichrollen mit Hochtechnologie zu tun? Herzlich wenig, mag man denken. Doch ganz ähnlich wie Teppiche lassen sich auch hauchdünne Materialschichten aufrollen – und die so entstehenden Mikro- und Nanoröhrchen bilden die Grundlage ganz neuer technischer Anwendungen. Während allerdings Teppiche durch eine oder bessere mehrere Personen aufgerollt werden, rollen sich die dünnen Materialschichten ganz von selbst zu winzigen Röhrchen auf. Unlängst gelang es sogar, aus solchen Röhrchen „Mikroraketen“ zu konstruieren und fernzusteuern.

Die Schichten sind durch eng aneinander liegende Kugeln dargestellt. Links liegen die beiden Schichten auf der Opferschicht auf, rechts haben sie sich bereits abgelöst und dadurch aufgerollt.
Durch innere Spannungen rollen sich zwei Schichten selbstständig auf.

Von der Schicht zur Rolle

Das Aufrollphänomen ist schematisch in der Abbildung links dargestellt. Eine hauchdünne Schicht aus zwei verschiedenen Materialien wird auf eine sogenannte Opferschicht (in schwarz dargestellt) aufgebracht, die sich wiederum auf einem als Träger dienenden Substrat befindet. Wichtig ist dabei, dass die beiden hauchdünnen Schichten unterschiedliche Verspannungszustände aufweisen. Entfernt man nun mit einer geeigneten Ätzlösung von einer Seite aus nach und nach die Opferschicht, so erzeugen die inneren Verspannungen ein Drehmoment, das die beiden Schichten zum Aufrollen zwingt.

Auf die Größe kommt es an

Der Durchmesser der so entstehenden Röhrchen hängt von der Dicke der Schichten und der jeweiligen Verspannung zwischen den Schichten ab. Abbildung rechts zeigt den Durchmesser als Funktion der Schichtdicke. Beträgt die Schichtdicke beispielsweise 0,8 Nanometer (ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter), so rollt sich eine Doppelschicht aus Indiumgalliumarsenid (InGaAs) unten und Galliumarsenid (GaAs) oben zu einem Röhrchen mit einem Durchmesser von 15 Nanometern auf. Erhöht man die Schichtdicke auf 5,5 Nanometer, so vergrößert sich der Durchmesser auf über 500 Nanometer. Die Wanddicke der Röhrchen hängt naturgemäß davon ab, wie viele Aufwicklungen sie bei ihrer Entstehung durchläuft. Die Abbildung links zeigt einen Querschnitt durch ein solches InGaAs-GaAs-Röhrchen. Das Röhrchen besitzt eine dicke Wand, weil es mehr als 30 Umdrehungen auf der Oberfläche durchgeführt hat.

Eine aus vielen Schichten bestehende Rolle, von der nach rechts eine dünne Schicht ausgeht.
Querschnitt durch ein Nanoröhrchen

Die Möglichkeit, Größe und Dicke von Nanoröhrchen über viele Größenordnungen zu variieren und zu steuern hilft bei der Integration dieser Strukturen in Anwendungen auf einem Chip. Zum Beispiel könnte man dünne Metallstreifen einrollen, um ultrakompakte Spulen oder Transformatoren zu erzeugen. Vorstellbar ist auch, dass sich eine Schichtabfolge aus Metall/Isolator/Metall/Isolator von selbst aufrollt. So könnte man einen winzigen selbst gewickelten Kondensator auf einem Chip erzeugen. In der Tat ist dies keine große Zukunftsvision mehr. Erst kürzlich gelang es dem Autor und seinen Mitarbeitern, den Aufroll-Mechanismus erfolgreich auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Materialien anzuwenden. Damit rückt die Herstellung von Mikro- und Nanoröhrchen aus praktisch jedem Material und jeder Materialkombination in greifbare Nähe.

Antrieb für Nanomaschinen

Die Schichten sind in verschiedenen Farben dargestellt. Links liegen die beiden Schichten auf der Opferschicht auf, rechts haben sie sich bereits abgelöst und dadurch aufgerollt.
Nanoröhrchen aus Silber, Gold, Eisen und Titan

Die Abbildung links zeigt eine Schichtabfolge aus Silber, Gold, Eisen und Titan, die sich von selbst zu einem Röhrchen aufgewickelt hat. Die innere Schicht besteht aus Silber - ein Metall, das katalytisch aktiv ist. Es kommt zu einer chemischen Reaktion, wenn die Silberoberfläche beispielsweise mit einer Mischung aus Wasser und Wasserstoffperoxid in Berührung kommt. Bei dieser Reaktion entstehen Sauerstoffblasen, die aus dem Röhrchen ausgestoßen werden.

Eine dünne Röhre bewegt sich, einen Schweif hinter sich her ziehend, von links unten nach rechts oben durch das Bild.
Video einer Mikrorakete

Die Video rechts zeigt ein Röhrchen, das aus exakt den in der vorigen Abbildung gezeigten Materialien besteht und sich in einer mit Wasserstoffperoxid angereicherten Wasserlösung befindet. Winzige Blasen entstehen im Innern des Röhrchens, die aus einer Öffnung ausgestoßen werden – und der dadurch verursachte Rückstoß beschleunigt das Röhrchen. Das Röhrchen bewegt sich also wie eine winzige Mikrorakete im Reagenzglas. Ein besonderes Merkmal ist, dass die Mikrorakete ihren Treibstoff nicht mit an Bord hat, sondern aus der Umgebung entnimmt. Deshalb handelt es sich fachlich korrekt ausgedrückt bei diesem Antrieb nicht um einen Raketenmotor, sondern eher um eine Art Mikrojet. Ein solcher Mikrojet-Antrieb bietet große Vorteile, beispielsweise bei zukünftigen Nanomaschinen, die im menschlichen Körper Krankheiten bekämpfen oder Aufräumarbeiten erledigen sollen. In solchen Fällen wäre es unpraktisch, wenn jede Nanomaschine einen schweren Tank mit einem begrenzten Treibstoffvorrat mitschleppen müsste.

Fernsteuerung von Mikroraketen

Die aktuelle Forschung beschäftigt sich damit, wie sich die Bewegung von solch kleinen Objekten in Flüssigkeiten beschreiben und kontrollieren lässt. Denn auf kleinen Größenskalen wird das uns so dünnflüssig erscheinende Wasser plötzlich zähflüssig. Ein Gleiten, wie wir es beim Schwimmen kennen und ausnutzen, existiert auf der Nano- und Mikrometerskala nicht. Jede Fortbewegung ähnelt dort eher einer schwergängigen Bewegung im Morast. Und wenn der Vortrieb aufhört, dann ist die Bewegung ebenfalls sofort beendet.

Diagramm, Beschriftung Ordinate:  Geschwindigkeit in Mikrometern pro Sekunde, Wertebereich null bis siebenhundert; Beschriftung Abszisse: Zeit in Sekunden, Wertebereich null bis zwei. Der Geschwindigkeitsverlauf ist nicht kontinuierlich sondern besteht aus isolierten Spitzen.
Geschwindigkeitsdiagramm einer Mikrorakete

Die kleinen Objekte müssen also ständig beschleunigt werden um überhaupt voranzukommen. Das gilt auch für Mikroraketen. Die Abbildung links zeigt die Geschwindigkeit einer Mikrorakete über einen gewissen Zeitraum: Es gibt keine gleichmäßige Geschwindigkeit, sondern nur ausgeprägte Geschwindigkeitsspitzen. Diese entstehen immer dann, wenn ein Bläschen aus der Rakete heraus schießt. Ist das Bläschen ausgestoßen, so stoppt die Rakete sofort und bewegt sich erst dann wieder fort, wenn das nächste Bläschen an der Reihe ist.

Die Frequenz, mit der die Bläschen aus dem Röhrchen heraus schießen, ist sehr hoch. Das Auge sieht die Raketen deshalb im Mikroskop mit scheinbar konstanter Geschwindigkeit schwimmen. Diese mittlere Geschwindigkeit kann relativ zur Röhrchengröße sehr hoch sein. So legt die Mikrorakete bis zu 60 Raketenlängen pro Sekunde zurück – das ist mehr als irgendein uns bekannter Fisch an Fischlängen pro Sekunde schwimmen kann. Auf absoluter Skala ist die Mikrorakete allerdings langsamer als jede Schnecke: Sie legt nur etwa einen Meter pro Stunde zurück.

Das Video zeigt ein sich auf einer Kreisbahn bewegendes Objekt, das sich schließlich gradlinig nach links oben bewegt.
Video einer Mikrorakete im Magnetfeld

Die Mikroraketen lassen sich sogar fernsteuern. Da man für ihre Herstellung beliebige Materialien verwenden kann, haben der Autor und seine Mitarbeiter auch eine magnetische Schicht aus Eisen in die Röhrchen eingewickelt. Legt man nun während der Bewegung der Rakete ein externes Magnetfeld an, so richtet sich das Nanoröhrchen an diesem Magnetfeld aus und lässt sich so lenken. Das Video rechts zeigt die kreisförmige Bewegung der Rakete bei angeschaltetem rotierendem Magnetfeld und die anschließende geradlinige Bewegung nach dem Ausschalten des Magnetfelds.

Nanomaschinen der Zukunft

Die Herstellung von winzigen autonomen Antrieben stellt einen kleinen Schritt dar, um in Zukunft komplexe Nanomaschinen zu konstruieren, die ihre Energie aus der Umgebung entnehmen, um selbstständig Aufgaben zu auszuführen. Eines Tages können wir vielleicht multifunktionelle Nanoroboter zu bauen, die sowohl in lebendigen Organismen als auch in Umgebungen, die für organische Materialien nicht zugänglich sind, arbeiten können.