Elektronen spielen Fußball

News: Elektronen spielen Fußball

'Der Ball ist rund, und das Spiel dauert 90 Minuten', wusste schon die Fußballlegende Sepp Herberger. Doch im Bezug auf Nanofußball hat er sich getäuscht. Amerikanische Wissenschaftler haben C60-Moleküle - winzige Fußbälle - zum Springen gebracht, ganz wie ihre großen Brüder. Doch sie benutzen ihren Ball nicht zum Spielen, sondern für den kleinsten Transistor der Welt. Und der soll etwas länger halten als anderthalb Stunden.

Genau wie die echten Fußbälle aus Leder bestehen C₆₀-Moleküle aus zwölf Fünfecken und 20 Sechsecken, doch ihr Durchmesser beträgt gerade mal 0,7 Nanometer. Im Gegensatz dazu bringen es die beliebten Sportgeräte auf etwa 22 Zentimeter – rund dreihundert Millionen Mal so viel. Viele chemische, elektronische und physikalische Eigenschaften von C₆₀ haben Forscher seit dessen Entdeckung im Jahr 1985 untersucht. Paul McEuen von der University of California in Berkeley und seine Kollegen fügen dem nun erste Erkenntnisse über das mechanische Verhalten hinzu.

Die Physiker haben einen Transistor hergestellt, der auf einem einzelnen C₆₀-Molekül basiert. Zunächst haben sie es zwischen zwei Goldelektroden befördert, indem sie eine wässrige Toluenlösung auf das Metall brachten, die Fußballmoleküle enthielt. Das C₆₀-Molekül verhielt sich so, als ob zwei Federn es zwischen den zwei Elektroden, der Source- sowie der Drain-Elektrode des Transistors, festhalten würden. Die Unterlage dieser Anordnung, eine isolierende Schicht aus Siliziumoxid auf einer Siliziumscheibe, diente als Steuerelektrode.

Wie bei einem ganz gewöhnlichen Feldeffekt-Transistor kontrolliert die Steuerelektrode den Strom, der aus der Source-Elektrode über das C₆₀ fließt. Weil das Molekül so klein ist, kann nur ein einziges Elektron zur selben Zeit diesen Weg nehmen. Dazu muss es auch noch genau die passende Energie mit sich bringen, sonst stößt das C₆₀ es zurück. Gaben McEuen und seine Mitarbeiter dem kleinen Ladungsträger beim Stoß mit dem Molekül zusätzlich noch die Energie mit, die dessen Schwingungsenergie entspricht, so emittiert der winzige Fußball diesen Überschuss spontan. Dadurch beginnt er mit einer Frequenz von gut einem Terahertz (10¹² Hertz) zwischen den Goldelektroden hin und her zu springen (Nature vom 7. September 2000). Auch dann können Elektronen weiter über das C₆₀ von der einen zur anderen Elektrode gelangen. Anders als bei einem gewöhnlichen Fußballspiel, in dem sich viele Menschen oft recht heftig um den Ball streiten, geht es also sehr diszipliniert zu: Elektronen passieren den Ball fein säuberlich nacheinander – geordnet wie in einem Drehkreuz.

"Die Bewegung von Objekten im Nanomaßstab zu kontrollieren, ist im Bereich der Nanotechnologie sehr wichtig", kommentiert Leo Kouwenhoven von der Delft University of Technology. Denn während auf makroskopischem Niveau ein springender Tennisball auf eine Wand nur vernachlässigbar wenig Energie überträgt, können Elektronen durchaus ein Molekül in Bewegung setzen – trotz dessen erheblich größerer Masse. "Durch die mechanische Kontrolle von Objekten im Nanomaßstab werden kleinere, schnellere und effizientere Versionen bereits existierender mikromechanischer Strukturen wie zum Beispiel eines Beschleunigungsmessers, der Airbags in Autos auslöst, möglich."

Siehe auch

Spektrum Ticker vom 15.7.1999
"Fußbälle aus Kohlenstoff"
Spektrum Ticker vom 18.10.1999
"Anorganische Fußbälle werfen philosophische Fragen auf"
(nur für Ticker-Abonnenten zugänglich)
Spektrum Brennpunkt-Thema vom 7.8.2000
"Nano ist das Größte"
Spektrum der Wissenschaft 11/96, Seite 18
"Nobelpreis für Chemie – Kohlenstoff in Fußballform"
(nur für Heft-Abonnenten online zugänglich)

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