Kraftvolle Nanotechnik

Forscher am Nanotechnik-Institut der University of Texas in Dallas haben Fäden aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen gesponnen, die sich zum Bau künstlicher Muskeln eignen. Ray Baughman, Direktor des Instituts, stellte die Arbeit auf der Konferenz der "Materials Research Society" in Boston vor. Laut Baughman sind die künstlichen Muskelfasern bis zu 100 Mal stärker als natürliche und dennoch erheblich dünner als ein menschliches Haar.

Das Material ließe sich beispielsweise in Prothesen, Mini-Maschinen oder Robotern einsetzen – in so genannten Aktoren, die derzeit vor allem aus Metallen und Polymeren hergestellt werden. Sie können sich zusammenziehen, sich dehnen und so ihre Form ändern – schnellen auf Wunsch aber auch wieder in ihre Ausgangsposition zurück. "Unser größtes Problem bei der Entwicklung künstlicher Muskeln war aber bislang immer, dass die Kräfte, die damit generiert werden können, nicht besonders hoch sind", erklärt Yoseph Bar-Cohen, einer der leitenden Forscher am Jet Propulsion Laboratory in Pasadena und Experte für künstliche Muskeln.

Kohlenstoff-Nanoröhrchen könnten hingegen potenziell enorme Kräfte freisetzen: Baughman hat Aktoren aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen bereits im Bereich Wasserstoff-Energieumwandlung eingesetzt, wo diese den Prozess mit Hilfe mechanischer Kräfte einleiten. Dabei verändern Elektroden ihre Größe – je nach dem, welche Ladung anliegt. In Baughmans Prototyp zeigte sich allerdings schnell, dass die Stärke der Nanoröhrchen hier kaum genutzt werden konnte – ein Problem, das allgemein bekannt war.

Baughmans nächster Versuch, den er zusammen mit John Madden von der University of British Columbia durchführte, setzte daher auf Aktoren aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Fäden. Dabei ließen die Forscher zunächst dicht nebeneinander liegenden Nanoröhrchen sprießen, die jeweils rund 100 Mikrometer lang waren. Diese wurden dann "geerntet" und in lange, dünne Fäden gesponnen. Diese Fäden nahmen nur zwei Prozent der Breite eines menschlichen Haares ein, konnten aber mehr als einen Meter lang sein (für das menschliche Auge dennoch unsichtbar). "Das Spinnen dieses Fadens war so ähnlich, als wolle man einen Fisch mit einer unsichtbaren Angelschnur einholen", erklärt Baughman. Manche der Fäden konnten eine Last aushalten, die 150 Mal größer war als die von bereits bekannten Papieren aus Nanoröhrchen.

Bis zum tatsächlichen künstlichen Nano-Muskel ist allerdings noch viel Materialwissenschaft notwendig. Legte man größere Lasten an die Aktoren an, konnte es passieren, dass diese in den nachfolgenden Zyklen nicht wieder in ihre Ausgangsposition zurückkehrten. Diese Dehnung müsse nun beseitigt werden. "In den meisten Anwendungsfällen kann man so etwas nicht gebrauchen", so Baughman.

Ein anderes ungelöstes Problem ist die Frage, wie sich die Technik hochskalieren lässt. Die Ausbeute ist bislang noch gering. Natürliche Muskeln sind der Nanotechnik aufgrund ihrer größeren Fläche daher noch deutlich überlegen, obwohl der einzelne Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Faden 100 Mal stärker ist. Das Skalierungsproblem existiert allerdings nicht nur bei Aktoren auf Nanobasis – laut Bar-Cohen sei es allgemein vorhanden: "Aus diesem Grund schlägt ein menschlicher Arm künstliche Muskeln beispielsweise beim Armdrücken noch immer."

Trotz aller Probleme wird die Baughman-Arbeit als wichtiger Fortschritt auf dem Gebiet der künstlichen Muskeln gesehen. Elizabeth Smela, Professorin für Maschinenbau an der University of Maryland, ist vor allem von der durch Baughman entwickelten Verarbeitungstechnik begeistert. "Es ist sehr attraktiv, dass man aus Kohlenstoff-Nanoröhrchen nun transparente Leiterflächen, Fäden odere andere Dinge herstellen kann." Ohne solche Verarbeitungsmöglichkeiten bringe auch das spannendste Material wenig.

Übersetzung: Ben Schwan. (wst)