Nanomotoren werden zur Alternative
Muskeln aus Metall wirken wie winzige Motoren

Hochgenaues Positionieren gewinnt an Bedeutung - im DVD-Spieler ebenso wie in Mikroskopen. Wo die üblichen Elektroantriebe versagen, können Minimuskeln aus Metall und Kristallen helfen.

HAMBURG. Normalerweise werden Laser in DVD-Spielern auf den Bruchteil eines Millimeters genau von Minimotoren gesteuert. Dabei lenken Elektroantriebe mit filigranen Spindel- oder Schneckengetrieben den Lesekopf störungsfrei entlang der eingebrannten Datenspirale. Diese Technik stößt jedoch an Präzisionsgrenzen, wenn die Informationsdichte weiter zunimmt und so die Abstände zwischen den digitalen Spuren immer kleiner werden. Als Alternative zur heutigen Mikromechanik präsentieren Entwickler nun preisgünstige Linearmotoren: Ihre künstlichen Nanomuskeln sollen schon bald aufwendige Mikrogetriebe ersetzen.

So hat die US-Firma Nanomuscle im kalifornischen Antioch einen Linearmotor mit einer Gedächtnismetalllegierung entwickelt. Über eine angelegte Spannung kann die Länge gezielt und schnell verändert werden. "Wenn ein Strom durch den Draht fließt, erwärmt er sich und zieht sich wie ein menschlicher Muskel zusammen", beschreiben die Entwickler ihren Nanomanipulator. Fließt kein Strom, kühlt das Metall ab und dehnt sich wieder auf seine Ursprungsgröße aus. Mit Anschlusskontakten ist dieser Nanomuskel gerade mal so groß wie eine Büroklammer. Über Spannungen zwischen zwei und 40 Volt lässt sich seine Länge um rund vier Millimeter verändern - bis auf wenige Millionstel Millimeter präzise. Vorteilhaft sind die großen Kräfte, die dieser "Linearmotor" ausüben kann. Unabhängig von seiner Ausdehnungsgeschwindigkeit können Massen von rund 70 Gramm bewegt werden; genug für einen kompakten Laserschlitten in einem DVD-Spieler.

Dünner als ein menschliches Haar

"Der wenige Zentimeter lange Metalldraht ist dünner als ein menschliches Haar", sagt Danielle Fowler, Mitgründer von Nanomuscle. Eingelegt in mehrere Metall-Plättchen wird der Stromfluss durch das Gedächtnismetall über einen integrierten Mikroprozessor gesteuert. Jede Aktion dauere etwa eine Fünftelsekunde und könne mindestens eine Million Mal wiederholt werden.

"Etwa zwölf Milliarden Dollar werden für Miniaturaktuatoren ausgegeben", so Fowler. Nun hofft er, mit den Nanomuskeln einen Teil des Marktes für filigrane Elektromotoren erobern zu können. "Wir haben mit Anwendungen in der Robotik begonnen und bewegen uns nun in Richtung Comsumer-Electronics." Der amerikanische Spielzeughersteller Hasbro habe Interesse an dieser Technologie gezeigt. Nanomuskeln könnten also auch in High-Tech-Spielzeug eingebaut werden oder über eine geschickte Steuerung Puppengesichtern eine verblüffende Mimik ermöglichen.

Aachener setzen auf Piezokristalle

Die Aachener Firma Klocke-Nanotechnik setzt dagegen auf Piezokristalle, um winzige Bewegungen über einen Stromfluss zu kontrollieren. Ein Piezokristall dehnt sich geringfügig aus, wenn eine Spannung angelegt wird. Heute können mit Piezokristallen bereits die Spitzen von Rasterelektronenmikroskopen atomgenau gesteuert werden.

Firmengründer Volker Klocke hat solche selbst entwickelten Nanomotoren mit Elementen aus dem klassischen Maschinenbau kombiniert. Das Resultat ist ein Antrieb, der selbst kiloschwere Bauteile mit einer Auflösung von weniger als 50 Millionstel Millimeter bewegen kann. Durch die große Spannungsempfindlichkeit der Piezokristalle lassen sich sogar Bewegungen weit unterhalb eines Nanometers kontrollieren. Vollautomatisch oder über einen Joystick gesteuert händelt so ein Nanogreifer feinste Glasfasern und kann diese in winzige, aber komplexe Geräten einbauen.

Antrieb mit Licht

In Zukunft könnten die Nanomotoren anstatt mit Strom sogar mit Licht angetrieben werden. Die Grundlage dazu lieferten kürzlich Münchener Forscher von der Ludwig-Maximilians-Universität mit einzelnen Azobenzol-Molekülen. Wie sie in der Fachzeitschrift "Science" berichteten, konnte dieses Molekül mit verschiedenen Lichtwellen zwischen zwei Strukturen hin und her geschaltet werden. Mit einer rund 80 Nanometer langen Kette aus Azobenzol-Molekülen erreichten sie eine lineare Ausdehnung von 1,4 Nanometern. Die Kraft dieses Lichtmotors reiche dabei aus, um theoretisch molekulare Deckel von winzigen Nanocontainern zu öffnen, sagen die Wissenschaftler. Lichtgesteuert könnten so zum Beispiel Arzneien im Körper gezielt freigesetzt werden.

Noch keinen Bedarf für neue Nanomotoren sehen dagegen Festplattenhersteller wie IBM oder Toshiba. Hier könne der gegenüber Lasersystemen viel leichtere elektromagnetische Lesekopf über winzige und dabei dennoch preisgünstige Magnetspulen auf fünf bis zehn Nanometer genau gesteuert werden. Aktuelle 2,5-Zoll-Festplatten für Laptops speichern auf zwei Scheiben bis zu 60 Gigabytes. Da sich dabei die Spurbreite für die Daten aber immer noch im Mikrometerbereich bewege, sei das Potenzial der Magnetspulen nach Herstellerangaben noch lange nicht ausgeschöpft.

Quelle: Handelsblatt

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