Basler Team holt Sieg beim ersten Rennen mit Nanoautos

Das Team der Universität Basel hat das erste internationale Rennen mit Nanoautos auf einer Goldoberfläche gewonnen. Den jungen Wissenschaftlern vom Departement Physik und Swiss Nanoscience Institute der Universität Basel ist es gelungen, als Schnellste ein einzelnes Molekül über eine winzige Gold-Rennstrecke von etwa 100 Nanometern zu steuern.

Gewinner des Nano Car Race: Tobias Meier und Dr. Rémy Pawlak, flankiert von Christophe Giraud, Regionaldelegierter des CNRS für die Region Midi-Pyrénées. (Bild: Nathalie Lambert / CNRS)

Die Eckdaten für das erste internationale Rennen mit Nanoautos hören sich zunächst wenig spektakulär an: Innerhalb von 38 Stunden mussten die Teams am 28. April in Toulouse ein einzelnes Molekül über eine Rennstrecke aus Gold von etwa 100 Nanometern führen und dabei zwei Kurven bewältigen. Doch in der Realität ist das nicht so einfach.

Die Piloten der Nanoautos sitzen bei diesem Rennen nicht am Steuer ihrer Wagen, sondern am Computer, über den sie ein Rastertunnelmikroskop bedienen. Diese enthält keine Linsen, die Licht bündeln, sondern eine winzige leitende Spitze, die sich präzise über eine Probe führen lässt. Wenn der Abstand zwischen Mikroskopspitze und Probe klein genug ist, fliesst von der Spitze zur Probe ein winziger elektrischer Strom.

Normalerweise werden Rastertunnelmikroskope genutzt, um kleinste Details in der Grössenordnung von einzelnen Molekülen und Atomen von Oberflächen abzubilden. Beim Nanoautorennen nutzen die Wissenschaftler die Mikroskopspitze, um ein einzelnes Molekül auf dem vorgegebenen Kurs zu bewegen. Und auch das ist nicht trivial, da das Grössenverhältnis zwischen Mikroskopspitze und Molekül etwa der des Matterhorns und einem Tischtennisball entspricht.

Vom 28.–29. April trafen sich nun am Centre d’élaboration de matériaux et d’études structurales (CEMES) in Toulouse Wissenschaftler aus Deutschland, Frankreich, Japan, den USA, Österreich und der Schweiz zum ersten internationalen Nanoautorennen der Welt, das vom Centre national de la recherche scientifique (CNRS) organisiert wurde. In Toulouse steht eines der weltweit einzigen Rastertunnelmikroskope, das es vier verschiedenen Teams gleichzeitig erlaubt, ein Molekül über die Oberfläche zu steuern. Aus der Schweiz waren Tobias Meier und Dr. Rémy Pawlak aus der Forschungsgruppe von Professor Dr. Ernst Meyer vom Swiss Nanoscience Institute und Departement Physik der Universität Basel als Piloten am Start.

Durch die Spitze eines Rastertunnelmikroskops (gelb) erhält das Nanoauto einen elektrischen Impuls, der das Molekül fortbewegt. So lässt sich der Swiss Nano Dragster auf einer Goldoberfläche gezielt steuern – im ersten internationalen Nanoautorennen mit einer Geschwindigkeit von 20 Nanometern pro Stunde. (Bild: Universität Basel, Departement Physik)

Mit Spass Neues lernen
Für alle Beteiligten war das Rennen eine grosse Herausforderung. Bei den stundenlangen Vorbereitungen und auch beim Rennen selbst lernten sie immer besser, wie sich Moleküle zielgerichtet bewegen lassen und welche Moleküle sich besonders gut dafür eignen. Während andere Teams grosse Moleküle mit beweglichen Abschnitten an den Start geschickt hatten, arbeitete das Schweizer Team mit einem recht kleinen Molekül, das von dem Team von Professor Catherine Housecroft (Departement Chemie, Universität Basel) entworfen und hergestellt worden war.

«Unsere Idee war es, die Reibung zwischen Nanoauto und Oberfläche zu verringern und unser Nanoauto ähnlich wie ein Luftkissenboot über die Oberfläche gleiten zu lassen», erklärt Dr. Rémy Pawlak, Pilot des Swiss Nano Dragsters und Postdoc in der Gruppe von Ernst Meyer. Die Rechnung ist aufgegangen. Bereits nach acht Stunden waren die Schweizer Forscher am Ziel und hatten die 100 Nanometer lange Gold-Rennstrecke absolviert. Das österreichisch-amerikanische Team war im Rennen noch schneller. Jedoch waren sie auf einer Silberoberfläche gestartet und damit war ihr Ergebnis nicht vergleichbar mit den fünf Konkurrenten auf der Goldoberfläche.

«Wir freuen uns sehr über den Erfolg», sagt Tobias Meier, Doktorand in der Forschungsgruppe von Ernst Meyer und zweiter Pilot des Schweizer Teams. «Es hat viel Spass gemacht, an dem Rennen teilzunehmen. Zudem lernen wir mit diesem Ansatz immer besser, wie sich einzelne Moleküle steuern lassen. Irgendwann werden sich diese Erkenntnisse nutzen lassen, beispielsweise um logische Strukturen wie Speicherchips aus einzelnen Molekülen aufzubauen.»

 

Weiterführende Links

Video: Der Swiss Nano-Dragster macht beim ersten Nano-Autorennen mit
YouTube-Channel des Nano Car Race