Motoren für zukünftige Nanogeräte werden in der Lage sein, mit Schub zu laufen, der durch den Quantentunneleffekt erzeugt wird.
Irgendwann in der Zukunft werden sich winzige Nanoroboter um alles kümmern, vom Zusammenbau von Miniatur-Mikrosch altkreisen bis hin zur "Reparatur" beschädigter Organe in unserem Körper. Aber bevor dies Realität wird, muss eine praktische Lösung für das Problem ihrer Bewegung gefunden werden: Welcher Kraftstoff soll verwendet werden und welche Motoren. Herkömmliche Motoren im Nanomaßstab sind einfach nicht anwendbar. Es gibt Möglichkeiten, winzige Temperaturunterschiede (" Erster Nanomotor") oder einen Motor zu nutzen, der auf nanostrukturiertem porösem Silizium läuft (" Treibstoff für Nanoroboter"). Allerdings ist noch keine der Lösungen so komfortabel und einfach geworden, dass sie sich durchgesetzt hat.
Vielleicht sollten Wissenschaftler von der Natur lernen? Hier, im Mikrokosmos, findet sich eine Masse von „Nanomotoren“, also winzigen und effizienten Mechanismen, die die Geißeln drehen und die Bewegung etwa einer Bakterienzelle sicherstellen.
Man nimmt an, dass einige dieser "Biomotoren" den Quanten-Tunneleffekt für ihre Arbeit nutzen, derselbe, der es modernen Tunnelmikroskopen ermöglicht, zu arbeiten. Lassen Sie uns kurz erklären, wie das passiert. Beim Passieren der dünnsten Nadel (am Ende – nicht dicker als ein Atom) knapp über der Oberfläche der Probe „springen“einige ihrer Elektronen durch das Vakuum und erzeugen einen Strom von der Probe zur Nadel. Die Stärke des Stroms variiert stark mit der Entfernung, so dass kleinste Unterschiede auf der Oberfläche der Probe erkannt werden können. Über den Aufbau von Elektronenmikroskopen haben wir im Artikel „Tunnel in die Nanowelt“ausführlicher gesprochen.
Berechnungen amerikanischer Wissenschaftler unter der Leitung von Petr Král zeigten, dass derselbe Tunneleffekt auch zum Antrieb künstlich hergestellter Nanomotoren genutzt werden kann. Die Wissenschaftler modellierten eine Struktur, die aus einer kurzen Kohlenstoffnanoröhre besteht, an der 3 oder 6 „Bein“-Moleküle befestigt sind, die in „Klingen“enden, die Strom leiten. Schauen Sie sich das Diagramm links an - diese Struktur ist dem Rad einer alten Wassermühle sehr ähnlich. Aber es funktioniert viel kniffliger: Zwischen den feststehenden Elektroden und den beweglichen Lamellen springt ab und zu ein Elektron.
Und bei jedem solchen „Durchbruch“dreht sich der Rotor um 120 oder 60 Grad, je nach Anzahl der „Beine“. Tatsache ist, dass das Auftreten einer Ladung auf einem Blatt und ihr Verschwinden auf dem anderen ein kurzzeitiges Dipolmoment auf dem gesamten Rotor erzeugt. Und dieser Dipol versucht sofort, sich mit dem externen Feld auszurichten, das auch die Elektroden erzeugen.
Laut Piotr Krall kann ein solches System äußerst zuverlässig sein, da die Verletzung seiner einzelnen Elemente nicht zu einer vollständigen Absch altung führt. Es wird in der Lage sein, selbst bei normalen Temperaturen zu arbeiten und Nanogeräte auf das Ziel zuzubewegen, auf unsere strahlende Zukunft.
Übrigens, wie aktuelle Studien gezeigt haben, sorgt der komplexe und subtile Quantentunneleffekt auch für die Arbeit unseres Geruchssinns. Lesen Sie: „Vibrationen des Geruchs“.
