Die Nanotechnologie lernt schwimmen

Wenn sie an Nanotechnologie denken, kommt vielen Leuten ein Hollywood-Bild in den Sinn: ein Wissenschaftlerteam, das sich mit seinem Miniaturfahrzeug durch den Blutkreislauf eines Menschen bewegt - so dargestellt in dem Film "Die fantastische Reise" aus dem Jahre 1966. Auch wenn die meisten Menschen wissen, dass dieser Film so wenig mit der Realität in der Nanotechnologie zu tun hat wie "Jurassic Park" mit Gentechnik, ist dieses Image doch kaum abzuschütteln. Eine ganze Generation von Forschern versucht, Technologien zu entwickeln, die eines Tages Krebs-Medikamente direkt zu einem Tumor leiten oder Nanomaschinen gegen verkalkte Arterien einsetzen könnten.

Um dieses Ziel zu erreichen, müssen die Ingenieure es schaffen, kleinste Ladungen durch Flüssigkeiten zu bewegen - eine Aufgabe, die deutlich schwerer ist, als uns im Film vorgeführt wird. Dazu braucht es passende mathematische Modelle. Ein neuer Ansatz solcher Nano-Fortbewegungsmittel stützt sich auf eine erstaunlich einfache, aber fast schon geniale Idee.

Wenn Objekte eine verschwindend kleine Masse haben, wird der Effekt der Zähflüssigkeit wesentlich entscheidender als die Trägheit. Das Ergebnis ist, dass es in der Nano-Welt kein Gleiten gibt. Der Scherenschlag, den etwa ein Taucher vollführt würde im Nanomaßstab nur zu einer kurzen Vorwärtsbewegung mit anschließender Umkehr führen. Schon ein Objekt mit einer Größe im Mikrometer-Bereich hat es so schwer, als würde man versuchen, mit Brustschwimmen durch Honig zu kommen. Im Nanometer-Bereich wird das Problem noch schlimmer.

Um vorwärts zu kommen, muss ein Nano-Schwimmer eine Bewegung vollführen, bei der es zu keiner symmetrischen Gegenbewegung kommt - das entspricht eher einem Kraulen, als einem Fußschlag beim Brustschwimmen. In der Biologie (und in Filmen) wird das Problem oft durch einen Antrieb gelöst, der einer Peitsche oder Geißel ähnlich ist. Allerdings sind die mathematischen und molekularen Herausforderungen bei einem solchen System gewaltig. Ali Najafi und Ramin Golestanian vom Institute of Advanced Studies in Basic Sciences im iranischen Zanjan haben nun eine Lösung erarbeitet, bei der nur das Verkürzen und Verlängern von zwei steifen Stangen notwendig ist.

Ihr Modell besteht aus drei Kugeln, die mit zwei Stangen-artigen Strukturen verbunden sind. Ein Bewegungszyklus umfasst als erstes das Einziehen des linken Arms, dann das Einziehen des rechten Arms, dann das Ausfahren des linken Arms und schließlich das Ausfahren des rechten. Das Ergebnis ist eine große Bewegung nach rechts und kleine Bewegungen nach links. Das naheliegendste biologische Äquivalent ist ein Erdwurm, der sich durch einen Acker bewegt. Beim Nano-Schwimmer wächst die effektive Reibung, je länger die Verbindungsstange ist. Dementsprechend wird das augenblicklich längere Segment stets zu einer Art Anker für die Bewegung.

Die Arbeit der Iraner geht auf einen früheren Ansatz zurück, bei dem drei oder mehr verknüpfte Kugeln zum Einsatz kamen. Da die Bewegung des Nano-Schwimmers aber nur in eine Dimension erfolgen muss und nicht in zwei, ließ sich die Mathematik hinter diesem Ansatz wesentlich vereinfachen. "Es handelt sich um ein sehr altes Problem", sagt Najafi, "aber unser Schwimmvorgang ist sehr einfach durchzurechnen und sollte sich leicht im Nano-Maßstab herstellen lassen."

Die Bewegung mag zwar mathematisch einfach sein und die Form trivial herzustellen, doch die Teile müssten immer noch mit einer Art Feder-Molekül verbunden sein. Und genau dessen Entwicklung wird die Ingenieure viel Zeit kosten. Da gibt es nämlich das Problem der Braunschen Bewegung, sagt Howard Stone von der Harvard-Universität, der Flüssigkeitsdynamik und Mikroflüssigkeitssysteme erforscht. Damit echte Nanomaschinen in einer Flüssigkeit vorwärtskommen, müssten sie nicht nur die Klebrigkeit einer sehr zähen Umgebung überwinden, sondern auch das ständige Hin und Her von Molekülen ihrer eigenen Größe. Selbst wenn also die Berechnungen sagen, dass ein solcher Nano-Schwimmer sich geradeaus bewegen würde, sähe die Bewegung wohl eher aus wie die einer Welpe, die über eine belebte Spielwiese tollt.

Von Martha Downs; Übersetzung: Ben Schwan. (sma)