Das perfekte Baumaterial für Nano-Roboter

(Nanowerk News) Im DĂŒnnschichtlabor des Max-Planck-Institutes fĂŒr Intelligente Systeme in Stuttgart werden Kristalle in Nanometerdimension hergestellt, die als idealer Baustoff fĂŒr kleinstformatige Roboter dienen können. Diese Faden-Kristalle sind vollkommen im GefĂŒge und Ă€usserst belastbar: sie behalten auch unter mechanischer Beanspruchung ihre Form langfristig bei. Ein Team internationaler Wissenschaftler berichtet in Zusammenarbeit mit Stuttgarter Physikern ĂŒber ihre Forschungsergebnisse.
Wechselt man vom Makro- in den Nanobereich, so verĂ€ndern sich die physikalischen und chemischen Eigenschaften von Metallen. Dies wussten bereits Forscher und KĂŒnstler vor mehreren hundert Jahren.
Zerkleinert man zum Beispiel das Edelmetall Gold in winzige Goldpartikel mit einem Durchmesser von wenigen Nanometern, so wird man die typisch goldene FĂ€rbung vergebens suchen: die Goldpartikel zeigen nun eine tiefrote Farbe, die bereits vor Jahrhunderten dazu verwendet wurde, beeindruckende Bilder in Kirchenfenstern zu gestalten. Nicht minder ĂŒberraschend ist, dass die BlaufĂ€rbung solcher Malereien von Silberkolloiden stammen, also von Silber-Nanopartikeln.
Doch nicht nur die Farbe verĂ€ndert sich beim Übergang in den Nanobereich: auch mechanische Eigenschaften, wie zum Beispiel die FĂ€higkeit zur Verformung ist von der Grösse des Gegenstandes abhĂ€ngig.
Wird beispielsweise wenig Druck auf eine metallische OberflĂ€che ausgeĂŒbt, so ist die Verformung nur vorĂŒbergehend. Dies verdeutlicht ein einfaches Beispiel aus dem Alltag: die Karosserie des PKW springt bei geringfĂŒgigem Druck in die Ausgangslage zurĂŒck. Übersteigt die Krafteinwirkung eine bestimmte Grenze, so ist die Beule im geliebten Autoblech dauerhaft: der Physiker spricht von plastischer Verformung.
Wie hoch die Kraft sein muss, dass aus der reversiblen Einbuchtung eine dauerhafte Beule wird, ist von der Grösse der Metallkörpers abhĂ€ngig: "GrundsĂ€tzlich gilt: the smaller, the stronger“, erlĂ€utert Dr. Gunther Richter, Leiter des DĂŒnnschichtlabores am MPI-IS in Stuttgart. "Bei Nanostrukturen ist eine vergleichsweise höhere Kraft zur Verformung notwendig, als bei grösseren Strukturen, d.h. um den Übergang von elastischer zu plastischer Verformung zu erreichen.“
Gunther Richter stellt diese Nano-Haare in seinem DĂŒnnschichtlabor am MPI-IS in Stuttgart her: mittels Verdampfungsanlage werden verschiedene Metallgase (z.B. Palladium, Silber, Gold) unter Vakuumbedingungen auf einem TrĂ€ger abgeladen. Dadurch wachsen haarĂ€hnliche Kristalle, die gerade einmal 20 µm lang und nur 100 nm im Durchmesser sind.
"Das MPI-IS ist als einzige Einrichtung weltweit dazu in der Lage", betont Gunther Richter.
Lund
Nano-Haare, die im DĂŒnnschichtlabor am MPI-IS in Stuttgart hergestellt werden: im Vakuum werden verschiedene Metallgase (z.B. Palladium, Silber, Gold) auf einen TrĂ€ger aufgedampft. Die haarĂ€hnlichen Kristalle sind gerade einmal 20 µm lang und nur 100 nm im Durchmesser. (Bild: Dr. Gunther Richter)
Diese im Vakuum gewachsenen Fadenkristalle sind absolut perfekt: sie sind frei von jeglichen Defekten, und ebenmÀssig in der (Kristall-)Struktur.
Erst ĂŒber mechanische Beanspruchung, die zu Verformung fĂŒhrt, werden Defekte in der Struktur eingefĂŒhrt. Diese Belastungsproben untersuchen die Wissenschaftler im Transmissionselektronenmikroskop und berichteten darĂŒber bereits im sehr renommierten Nature Communications ("Reversible cyclic deformation mechanism of gold nanowires by twinning–detwinning transition evidenced from in situ TEM").
Die metallischen Nano-Strukturen werden unter Last im Druck und im Zug untersucht: mechanische Verformungen werden erzeugt, die aber vollstÀndig reversibel sind. Dies liegt an der vollkommenen, Defekt-freien Struktur. Die Stuttgarter Fadenkristalle halten somit Spannungen extrem gut aus, ohne dass die Form des Nano-Objektes langfristig verÀndert wird.
Anders sieht es aus, wenn solche Faden-Kristalle in der FlĂŒssigphase hergestellt werden: die Struktur ist defekt-behaftet und nicht so gleichmĂ€ssig wie bei der Vakuum-Variante. Im Transmissionselektronenmikroskop sehen die Forscher den entscheidenden Unterschied: bei zyklischer Belastung verĂ€ndert sich der Nano-Kristall aufgrund plastischer Verformung ("Recoverable plasticity in penta-twinned metallic nanowires governed by dislocation nucleation and retraction"). Faden-Kristalle, die in FlĂŒssigkeiten gezogen wurden, reagieren somit instabiler auf mechanische Belastung.
Dies macht die Faden-Kristalle, die am MPI-IS hergestellt werden zum idealen Baustoff fĂŒr intelligente Systeme im Nano-Format: sie sind Ă€usserst belastbar, verbrauchen wenig Energie und reagieren reversibel auf mechanische Belastungen: sie springen immer wieder in die Ausgangsform zurĂŒck.
Die Wissenschaftler haben sich bereits die nÀchsten Ziele gesteckt: sie möchten untersuchen, ob und wie sich mechanische und auch magnetische Eigenschaften von Nano-Kristallen unter thermischer Belastung verÀndern.
Source: Max-Planck-Institutes fĂŒr Intelligente Systeme
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