Eine clevere Methode zur Trennung von Nanokomponenten

Physiker der Friedrich-Schiller-Universität Jena haben gemeinsam mit Kollegen aus Düsseldorf, Göteborg, Lyngby und Triest eine geniale Lösung zum Trennen von gebundenen Nanokomponenten entwickelt.

Ihre Idee ist es, die Nanokomponenten in ein Lösungsmittel nahe dem kritischen Punkt zu tauchen. Im Versuchsaufbau gelang es ihnen, die Komponenten kontrollierbar zu trennen, indem sie lediglich die Temperatur des Lösungsmittels veränderten. Die Autoren stellen ihr erfolgreiches Experiment in vor Naturphysik.

Komponenten trennen sich am kritischen Punkt der Lösung

„Wir haben nach einer Lösung gesucht, um die unerwünschte Haftreibung der aneinander reibenden Einzelkomponenten in einem nanoelektromechanischen System (NEMS) zu beseitigen“, erklärt Dr. Falko Schmidt vom Institut für Angewandte Physik der Universität Jena. Diese Haftreibung wird Haftreibung genannt – eine Zusammensetzung aus den Begriffen statische und Reibung – verursacht durch sogenannte quantenelektrodynamische Casimir-Kräfte.

Diese Kräfte sind das Ergebnis von Schwankungen und führen zwangsläufig zum Verkleben der Bauteile. Die Forscher entwickelten eine Methode, um diesen Effekt umzukehren, indem sie die Komponenten in eine kritische Lösung – ein Gemisch aus Wasser und Öl – eintauchen, in der auch Schwankungen auftreten. Die Stärke dieser Schwankungen lässt sich durch Veränderung der Temperatur genau steuern.

„Das Besondere dabei ist, dass wir die ursprünglichen Schwankungen nicht unterdrücken, sondern durch andere, viel stärkere ersetzen“, sagt Falko Schmidt. Der gewünschte Effekt wurde im Experiment mit Hilfe eines beheizbaren Mikroskopobjektivs erzielt.

Den Forschern gelang es, eine Gold-Nanoflake über ein strukturiertes metallisches Substrat zu halten. Normalerweise würde die Goldflocke am Substrat haften bleiben.

Nähert sich die umgebende Flüssigkeit dem kritischen Punkt – dem Temperaturbereich, in dem sich Wasser und Öl entmischen – sind die Schwankungen so stark, dass Haftreibung vermieden wird. Die Forschergruppe schließt daraus, dass dies so effektiv sein könnte, dass verklebte Komponenten getrennt und wieder beweglich gemacht werden könnten.

Ein langer Weg zur Lösung eines offensichtlichen Problems

Dr. Falko Schmidt führte die Experimente noch an der Universität Göteborg durch, wo er auch neue experimentelle Methoden entwickelte, die schließlich zum Erfolg führten. „Wir kamen schnell auf die Idee zu diesem Projekt, da diese Problematik aus der Nano-Fertigung deutlich hervorging“, sagt Schmidt. Doch der Weg zur Lösung war lang. Letztlich setzte sich der Ansatz durch, den kritischen Casimir-Effekt mit dem quantenelektrodynamischen Casimir-Effekt zu dominieren.

Ziel ist es, die Idee, mikro- und nanoelektromechanische Systeme zukünftig von Blockaden durch mechanische Reibung zu befreien und damit die Weiterentwicklung neuer effektiver funktionsorientierter Nanokomponenten zu ermöglichen.