Moleküle mit Rennmotor - Das kleinste Autorennen der Welt findet im Vakuum statt

Moleküle mit Rennmotor - Das kleinste Autorennen der Welt findet im Vakuum statt

Nanocars sind winzig – sie bestehen nur aus einem einzigen Molekül. Als sich vor wenigen Wochen im französischen Toulouse solche „Boliden“ ein Rennen lieferten, fand das unter extremen Bedingungen statt: im Ultrahochvakuum und bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt.
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Auf dröhnende Motoren und riskante Überholmanöver muss man bei diesem Rennen verzichten. Auch die Geschwindigkeit ist nicht direkt rasant, sie wird nicht in Kilo-, sondern Nanometern pro Stunde gemessen. Trotzdem entfaltet der Wettkampf der Winzlinge seinen ganz eigenen Reiz, denn hier geht es um die Beherrschung einzelner Moleküle, Atome und subatomarer Teilchen.

Freie Fahrt dank Vakuum

Der Parcours, auf dem die Rennwagen eine Strecke von hundert Nanometern zurücklegen mussten, bestand aus reinem Gold. Zudem herrschen beim Nanorennen äußerst frostige Temperaturen. Denn um die Gefährte gezielt über die Rennstrecke steuern zu können, muss die Eigenbewegung der Moleküle minimiert werden. Der Austragungsort wird deshalb mit flüssigem Stickstoff und Helium auf minus 269 Grad Celsius gekühlt. So nah am absoluten Nullpunkt bewegt sich fast nichts mehr von selbst.

Damit die Fahrzeuge freie Fahrt haben, dürfen sich keine Fremdatome auf der Rennstrecke befinden. Schon die kleinste Verunreinigung, wie etwa ein Luftsauerstoff-Molekül, könnte ein Nanocar aus der Bahn werfen. Der Wettkampf findet daher im Ultrahochvakuum statt. Mit Hilfe von Turbo- und Ionengettervakuumpumpen wird der Druck auf 10-11 mbar reduziert.

Atome als Streckenmarkierung

Vor dem Rennen wird auch die goldene Rennstrecke gründlich geputzt: Die Oberfläche wird mit Ionen bombardiert und anschließend erhitzt, um für eine glatte Fahrbahn zu sorgen. Auf dieser markieren die Nanowissenschaftler dann mit zusätzlichen einzelnen Goldatomen den Parcours für die Fahrzeuge.

Die nächste Herausforderung besteht darin, die Molekülautos auf die Strecke zu bringen, ohne sie dabei zu zerstören. Dazu werden sie in einer Präparationskammer im Vakuum erhitzt, bis sie verdampfen. Aus den Molekülen, die sich anschließend auf der Oberfläche des Goldparcours absetzen, wird dann der geeignete Kandidat für das Rennen ausgewählt.

Mit Tunnelstrom detektiert

Die winzigen Gefährte, deren Größe nur etwa dem hunderttausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haars entspricht, kann man mit optischen Mikroskopen nicht sehen – die Wellenlänge des Lichts ist dafür zu groß. Die Forscherteams verfolgen das Renngeschehen daher mit einem sogenannten Rastertunnelmikroskop. Dabei wird eine elektrisch leitende Sonde, deren Spitze nur aus einem einzigen Atom besteht, mit einem Abstand von nur wenigen Nanometern rasterförmig über die Oberfläche der Rennstrecke bewegt.

Obwohl sich Sondenspitze und Untersuchungsobjekt nie berühren, entsteht beim Anlegen einer geringen Spannung nach den Regeln der Quantenmechanik ein Tunnelstrom. Die Stärke dieses Stroms hängt sehr empfindlich vom Abstand zwischen Objekt und Sonde ab. Beim Scannen der Goldfolie wird die Spitze feinmechanisch so gesteuert, dass Abstand und Stromstärke stets konstant bleiben. So erstellen die Wissenschaftler ein Höhenprofil des Rennparcours, mit einer topografischen Abbildung ihrer Nanocars.

Acht Stunden bis ins Ziel

Mit der Sonde machen die Forscher ihre Rennwagen jedoch nicht nur sichtbar, sie steuern mit ihr auch deren Bewegung. Dazu nutzen sie ebenfalls den Tunnelstrom. So wurden in Toulouse einige Molekülfahrzeuge durch die Aufnahme eines Elektrons auf ein höheres energetisches Niveau angehoben. Diese Energie gaben sie anschließend sofort wieder ab und setzten sie in eine Bewegung um. Andere Rennteams nutzten die elektrostatische Abstoßung der Elektronen, um voranzukommen.

Die Fahrzeuge mit der Sondenspitze mechanisch ins Ziel zu bugsieren wäre ebenfalls möglich, war bei diesem Rennen jedoch nur im äußersten Notfall erlaubt. Solche Manipulation hatte das siegreiche schweizerische Team ohnehin nicht nötig. Ihr Swiss Nano Dragster erreichte das rekordverdächtige Tempo von rund zwölf Nanometern pro Stunde und überquerte nach etwa acht Stunden als Schnellster die goldene Ziellinie. Dieser Erfolg wurde dann, ganz wie bei den Großen, mit einer Champagner-Dusche gefeiert.

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Nur etwa hundert Atome durften die Wissenschaftler für die Konstruktion ihrer Miniaturautos verwenden. Darüber hinaus gab es jedoch keine strengen Vorgaben für deren Zusammensetzung und äußeres Erscheinungsbild.

Prinzip Luftkissenboot gewinnt

Entsprechend unterschiedlich sahen die Karossen der sechs verschiedenen Forscherteams aus: Die Nanocars aus Frankreich, den USA und einer amerikanisch-österreichischen Kollaboration ähneln tatsächlich vierrädrigen Gefährten, Japans Vehikel erinnert eher an einen Knochen, Deutschland ging mit einem windmühlenartigen Gebilde an den Start. Das siegreiche Konstrukt der Universität Basel folgt dagegen dem Prinzip eines Luftkissenboots. Das flache Molekül besteht aus vier Y-förmig angeordneten Kohlenstoffringen. Den Motor der Konstruktion bilden drei integrierte Stickstoffatome, eine Methylgruppe dient als Frontspoiler. Die Basler Nanowissenschaftler haben das Molekül jedoch nicht speziell für die Teilnahme am Miniatur-Autorennen entwickelt: Im Forschungsalltag der Schweizer fungiert der Swiss Nano Dragster als Bestandteil von organischen Solarzellen.


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