Muskeln aus Gold und Platin

Erstmals ist es Wissenschaftlern am Forschungszentrum Karlsruhe gelungen, Metalle so zu strukturieren, dass sie zugeführte elektrische Energie direkt in messbare Bewegung umsetzen. Dies ermögliche eine Vielzahl neuartiger Bauelemente: elektronische Schalter und Regler, mikroskopische Ventile, intelligente Optiken, Mess-Sensoren, Bewegungswandler und sogar künstliche Muskeln für Miniroboter und Kleinprothesen, so die Fachzeitschrift Science.

Je besser es gelingt, Materialien zu zerkleinern und die so erhaltenen Partikel neu zusammenzufügen, um so überraschender sind oft die physikalischen Eigenschaften der daraus resultierenden Festkörper. Auf dieser Erkenntnis baut die Nanotechnologie auf, die die Eigenschaften von Stoffpartikeln in Größen von nur wenigen Millionstel Millimetern erforscht, und diese für technische Anwendungen nutzbar macht.

Durch das Verkleinern der Partikel ändern sich die Verhältnisse von Materialoberfläche zum Volumen, daher entstehen die neuen Eigenschaften. Aus Nanoteilchen aufgebaute Materialien haben viel mehr winzige Poren und damit insgesamt eine größere Oberfläche als das ursprüngliche Metall, was ihr Verhalten gegenüber äußeren Faktoren beeinflusst.

Am Institut für Nanotechnologie des Forschungszentrums Karlsruhe hat nun das Team um Dr. Jörg Weißmüller untersucht, was passiert, wenn man die Poren von nanostrukturiertem Platin, Gold oder Palladium mit einem Elektrolyten füllt und einen elektrischen Strom hindurchfließen lässt. Die Beobachtung überraschte: Der Metallkörper dehnte sich aus. Er wandelte die zugeführte elektrische Energie direkt in mechanische Energie, also Bewegung, um. Schon bei relativ kleinen Spannungen unter einem Volt dehnte sich beispielsweise Platin messbar um 0,15 Prozent aus. Der Effekt beruht darauf, dass die angelegte Spannung die elektrische Ladung des Elektrolyten und damit der von ihm „umspülten“ Metallpartikel ändert. Bildhaft gesprochen, springen zusätzliche Elektronen in die Atomhüllen des Metalls und verändern die Bindungsverhältnisse.

Bei Anreicherung mit Ladungsträgern entfernen sich die Metallatome an den Oberflächen der Nanopartikel auf Grund der Ladungsgleichheit voneinander, polt man die Spannung um, rücken sie wieder näher zusammen. Durch die veränderten Atomabstände ändert sich zwangsläufig auch die Größe der Nanopartikel und damit wächst oder schrumpft der gesamte Festkörper, was ihn für den Einsatz als Schalter und Regler in der Elektronik oder als Ventil und Dosierungseinheit in flüssigen Systemen prädestiniert.

Weil sich die Zahl der Elektronen in der Atomhülle durch die angelegte Spannung ändert, ändert das Material insgesamt auch seine chemische Identität. „Prinzipiell ist es damit möglich, den Charakter der Oberflächenatome zu verändern und sie um eine Ordnungszahl im Periodensystem der Elemente zu verschieben“, sagt Weißmüller. „Im Grunde können wir erstmals Gold machen“, fügt er nicht ganz ernst gemeint hinzu. Den in Karlsruhe gefundenen Effekt ausnutzend, könnten künftig aber immerhin intelligente metallische Materialoberflächen maßgeschneidert werden, die sich unterschiedlichen Einflüssen anpassen. Auch der Umkehreffekt ist denkbar: Nanostrukturierte Metalle, auf die eine Kraft ausgeübt wird, liefern einen Stromimpuls der zur Steuerung angeschlossener Systeme verwendet werden kann.

© 2003 GOVI-Verlag
E-Mail: redaktion@govi.de