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Weltweit kleinstes Nano-Auto mit elektrischem Allrad-Antrieb

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Thomas Kuther

Kleiner geht’s nicht mehr: Aus lediglich einem einzigen Molekül besteht das kleinste Allrad-Fahrzeug der Welt, das Wissenschaftler nun vorgestellt haben. Es fährt auf vier elektrisch angetriebenen Rädern nahezu geradlinig über eine Kupferoberfläche.

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Molekül mit Allrad-Antrieb: Das Nano-Auto fährt auf seinen elektrisch angetriebenen Rädern über eine Kupferoberfläche
Molekül mit Allrad-Antrieb: Das Nano-Auto fährt auf seinen elektrisch angetriebenen Rädern über eine Kupferoberfläche
(Grafik: Randy Wind/Martin Roelfs)

Wissenschaftlern aus der Schweiz und den Niederlanden ist ein entscheidender Schritt auf dem Weg zu künstlichen Transportsystemen im Nanobereich gelungen, wie sie in der Zeitschrift „Nature“ berichten. Sie haben ein Molekül aus vier rotierenden Motoreinheiten – sprich: Räder – synthetisiert, das kontrolliert geradeaus fahren kann. „Dabei braucht unser Auto weder Schienen noch Benzin; es fährt mit Strom. Es dürfte das kleinste Elektromobil der Welt sein – und zudem auch noch mit Allradantrieb“, freut sich Karl-Heinz Ernst von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt (EMPA) und Professor an der ETH Zürich.

Spitze eines Rastertunnelmikroskops als „Zapfpistole“

Über dem Nano-Auto auf einer Kupferoberfläche wird die Spitze eines Rastertunnelmikroskops positioniert und eine Spannung von rund 500 mV angelegt. So „betankt“ drehen sich die vier Räder simultan in eine Richtung und bewegen so das gesamte Fahrzeug kontrolliert nach vorne. „Wenn alle vier Motoren in die gleiche Richtung drehen, bewegt sich das Molekül gerade über die Oberfläche“, erklärt Tibor Kudernac von der Universität in Groningen in den Niederlanden.

Radmotoren mit Elektronenantrieb

Verantwortlich für diese Bewegung sind die zugeführten Elektronen aus der Mikroskopspitze, durch die sich die Räder über winzige Kräfte in jeweils neue Positionen anordnen.

Reichweite pro Tankfüllung noch verbesserungsfähig

Das gerade einmal rund 4 nm x 2 nm kleine Auto – das ist etwa 1 Mrd. Mal kleiner als ein VW Golf – muss allerdings nach jeder halben Radumdrehung über die Spitze eines Rastertunnelmikroskops neu mit Strom betankt werden. Zudem können sich die Räder aufgrund ihres molekularen Designs nur in eine Richtung drehen. „Es gibt keinen Rückwärtsgang“, so Ernst lakonisch.

Fahren oder nicht – eine Frage der Orientierung

Nach zehn „Betankungen“ aus dem Rastertunnelmikroskop hat sich das Molekül um 6 nm nach vorne bewegt – auf einer mehr oder weniger geraden Linie. „Die Abweichungen von der vorhergesagten Trajektorie kommen daher, dass es nicht ganz trivial ist, alle vier Motoreinheiten zeitgleich anzuregen“, erklärt Ernst.

Moleküle wandeln elektrische Energie in Bewegung um

Ein erstes Ziel hat das niederländisch-schweizerische Team also erreicht, ein „proof of concept“ nämlich, dass einzelne Moleküle externe elektrische Energie aufnehmen und in eine gezielte Bewegung umwandeln können. Als nächstes planen Ernst und Co., Moleküle zu entwickeln, die sich mit Licht antreiben lassen, etwa in Form eines UV-Lasers.

Nano-Auto ordnet Moleküle kontrolliert auf einer Onberfläche an

Die Entwicklung eines elektrisch angetriebenen Nano-Autos ist keine Spielerei von Nanoforschern. Denn die Methode weist einen neuen Weg auf, um einzelne Moleküle kontrolliert auf einer Oberfläche bewegen und anordnen zu können. Bisher nutzten Wissenschaftler dazu die filigranen Spitzen ihrer Mikroskope, um Nanopartikel ähnlich wie Billiardkugeln über eine Fläche zu schubsen.

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