Magnetfeld als Richtungsweiser für metallische Nanostäbchen mit Wasserstoffperoxid-Antrieb

Wie ihre normalgroßen Vorbilder auch, brauchen Maschinen und Roboter im Nanomaßstab Motoren um zu funktionieren. Bereits vor einiger Zeit hatte ein Team von der Pennsylvania State University einen pfiffigen Antrieb entwickelt, um nanoskopische Metallstäbchen "in Fahrt" zu bringen - allerdings irrten diese winzigen "U-Boote" bisher in willkürlicher Richtung durch die Flüssigkeit. Nun legen die Forscher um Ayusman Sen nach: Ihr "Nachfolgemodell" kann regelrecht ferngesteuert werden.

Wie funktionieren diese lenkbaren nanoskopischen U-Boote? Wichtig ist zunächst einmal der "gestreifte" Aufbau der Stäbchen aus verschiedenen Metallen: Ein Ende aus Gold, ein sehr schmaler Nickelstreifen, ein Streifchen Gold, wieder ein sehr schmaler Nickelstreifen und das andere Ende aus Platin. Das Platinende ist für den Antrieb zuständig, denn hier wird der "Treibstoff" umgesetzt. Als Treibstoff dient in der Lösung enthaltenes Wasserstoffperoxid, das an Platin katalytisch umgesetzt wird. Dabei entsteht Sauerstoff, der sich in der Flüssigkeit löst. Die stark sauerstoffhaltige Lösung in der Umgebung des Platinendes ist weniger polar als die Flüssigkeit, die das andere Ende des Stäbchens umgibt - die so genannte Grenzflächenspannung zwischen Lösung und Metalloberfläche ist dadurch an den beiden Stab-Enden nicht mehr gleich groß: Das Stäbchen wird regelrecht in Richtung des sauerstoffhaltigen Flüssigkeitsbereichs gezogen. Da ständig Sauerstoff nachgebildet wird, bleibt der Gradient erhalten und der Stab wandert mit dem Platinende voran durch die Flüssigkeit. Die Orientierung der Stäbchen in der Lösung ist willkürlich, die Bewegung insgesamt damit ungerichtet.

Nun kommt die "Fernsteuerung" ins Spiel, ein äußeres Magnetfeld. Als "Empfangsantenne" dienen die zuvor magnetisierten Nickelstreifchen der Stäbe. Der besondere Trick dabei: Die Breite der Nickelstreifen muss geringer sein als ihr Durchmesser, damit die Stäbchen statt in Längs- in Querrichtung magnetisiert werden können. Wird das Magnetfeld angeschaltet, ordnen sich die Stäbchen senkrecht zu dessen Feldlinien an und behalten diese Ausrichtung auch bei, wenn sie Wasserstoffperoxid-getrieben lossausen. Durch eine Änderung der Richtung des Magnetfeldes können die Forscher die Orientierung der Stäbchen und damit auch deren Bewegungsrichtung jederzeit beliebig variieren - die Stäbe sind lenkbar.

"Im Prinzip sollten sich unsere Stäbchen-Motoren auch an andere Nanoobjekte ankuppeln lassen," sagt Sen, "um diese anzutreiben - damit eröffnen sich Perspektiven für eine ganz neue Klasse von Mikro- und Nanomaschinen." Von ihren Dimensionen und magnetischen Eigenschaften her sind die Nanostäbchen mit magnetotaktischen Bakterien vergleichbar, die durch das Magnetfeld der Erde ausgerichtet und gelenkt werden. Sen: "Unsere Nanostäbchen könnten als Modelle für derartige Organsmen dienen."