Das kleinste Autorennen der Welt

Nanocar Race: Das kleinste Autorennen der Welt

Interviews: Raffael Fritz
Illustration: Max Kulich

Das Nanocar Race in Toulouse ist das kleinste Autorennen der Welt. Hier treten Autos gegeneinander an, die nur aus einzelnen Molekülen bestehen. 

Die gesamte Rennstrecke ist kleiner als ein Bakterium, die Autos bestehen aus einzelnen Molekülen: Willkommen beim Nanocar Race! Bei der Premierenausgabe des Rennens Ende April 2017 setzte sich der Dipolar Racer des amerikanisch-österreichischen Nanoprix-Teams durch und triumphierte in beeindruckender Manier vor seinen fünf Kontrahenten.

Die Renndistanz von 100 Nanometern, für die 36 Stunden zur Verfügung standen, übertraf der Dipolar Racer und legte in nur eineinhalb Stunden 150 Nanometer zurück. Der zweitschnellste Bolide, der Swiss Nano Dragster, war etwa sechsmal langsamer. 

Wir haben uns schon vor dem Rennen vom siegreichen Teamchef und seinem Schweizer Amtskollegen erklären lassen, …

  • wie man sich das Rennen vorstellen kann
  • wie die Autos sichtbar werden
  • wie man trainiert
  • warum so ein Rennen veranstaltet wird
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THE RED BULLETIN INNOVATOR: Wie kann man sich am ehesten eine Vorstellung davon machen, wie klein ein Nanocar ist?

LEONHARD GRILL: Ein menschliches Haar ist etwa 100 Mikrometer dick. Ein Nanocar ist noch etwa 100.000-mal kleiner. Wir bewegen uns hier in der Größenordnung, in der sich Atome zueinander anordnen. Das kann man sich nur schwer vorstellen, aber man kann Vergleiche anstellen: Ein Atom ist im Vergleich zu einem Tischtennisball in etwa so groß wie ein Tischtennisball im Verhältnis zur Erde. Optische Mikroskope können so kleine Objekte nicht mehr auflösen. Die Wellenlänge des sichtbaren Lichts ist dafür zu groß.

Leonhard Grill

Leonhard Grill, Physiker an der Universität Graz und Leiter des amerikanisch-österreichischen Nanoprix-Teams

© Universität Graz

Wie lassen sich die Nanocars dann sichtbar machen?

Beim Nanocar Race verwenden wir so genannte Rastertunnelmikroskope. Mit ihnen kann man mit einer sehr feinen Nadel, die an ihrer Spitze nur ein Atom breit ist, eine Oberfläche abscannen. So erhält man eine submolekulare Auflösung. Aber die Nadelspitze kann mit dem elektrischen Strom, der durch sie hindurch fließt, auch verschiedene Prozesse im Molekül auslösen – und zum Beispiel ein Nanocar bewegen. Das Mikroskop macht die Autos also nicht nur sichtbar, es versorgt sie auch mit Energie.

Mit was für einem Auto wird Ihr Team beim Nanocar Race antreten?

Wir haben eine ganze Reihe von Molekülen bei uns im Kühlschrank, die wir von unserem Kooperationspartner James Tour  an der Rice University in Houston bekommen und die wir auf die verschiedensten Arten zu bewegen versuchen. Manche haben tatsächlich einen Motor – also eine Einheit, die mit Stromstößen gezielt bewegt werden kann und so für den Antrieb sorgt. Andere haben so genannte polare Gruppen: Das heißt, sie besitzen ungleich verteilte Ladungen, und wenn man elektrischen Strom anlegt, wird das ganze Molekül zur Bewegung angetrieben. In diese Familie von Molekülen fällt auch der Dipolar Racer, mit dem mein Mitarbeiter Grant Simpson gerade sehr erfolgreich experimentiert und den wir momentan für das Nanocar Race ins Auge gefasst haben.

Welche Vorteile hat der Dipolar Racer im Vergleich zu anderen Nanocars?

Das werden wir erst genau wissen, wenn das Rennen stattgefunden hat – aber hoffentlich, dass er besonders schnell ist! Dabei muss man bedenken, dass die Schnelligkeit nicht nur mit der molekularen Bewegung an sich zu tun hat. Es sind viele experimentelle Zwischenschritte nötig, die möglichst effizient funktionieren müssen. Grant Simpson in meiner Arbeitsgruppe ist gerade dabei, diese Prozesse zu optimieren – wobei uns neben dem Nanocar Race eigentlich vor allem die physikalischen und chemischen Prozesse im Inneren des Moleküls interessieren. Wir arbeiten in der Grundlagenforschung und wollen verstehen, was da genau passiert.

Wird das Rennen also in der Boxengasse entschieden?

Sagen wir so: Es bringt mir nichts, wenn die Bewegung von A nach B selbst wahnsinnig schnell ist, ich aber unglaublich lange brauche, um es an Punkt B für den nächsten Schritt richtig auszurichten. Außerdem muss man bedenken, dass der Fahrer fast blind ist, während er das Auto mit dem Mikroskop bewegt. Das heißt, er muss es nach jedem Antriebspuls erst einmal wiederfinden, wenn man so will. Darum ist es auch entscheidend, wie schnell sich das Auto im Mikroskop experimentell abbilden lässt. Nur mit dem richtigen Gesamtpaket kann man das Rennen für sich entscheiden – und ich glaube, mit unserem Molekül haben wir ganz gute Chancen.

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THE RED BULLETIN INNOVATOR: Wie sieht das Auto aus, mit dem das Schweizer Team beim Nanocar Race antritt?

RÉMY PAWLAK: Vor etwa drei Jahren hatte Christian Joachim vom CEMES-Institut in Toulouse die Idee für dieses Rennen – und damals ging es noch darum, ein richtiges Auto mit Rädern, Chassis und Motor in der Größe eines Moleküls zu entwerfen. Aber wir sind später ins Rennen eingestiegen und haben uns eine etwas andere Lösung ausgedacht: Unser Swiss Nano Dragster hat keine Räder, sondern bewegt sich wie ein Luftkissenfahrzeug – das heißt, er gleitet fast reibungsfrei über die Rennstrecke.

Rémy Pawlak mit Co-Pilot Tobias Meier

Rémy Pawlak (li.), Teamchef und Pilot des Schweizer Teams, mit seinem Co-Piloten Tobias Meier

© Universität Basel

Wie wird so ein Nanocar eigentlich fürs Rennen vorbereitet?

Zuerst synthetisieren unsere Chemiker um Prof. Catherine Housecroft in ihrem Labor ein paar Milligramm eines feinen Pulvers: Darin befinden sich mehrere Milliarden Nano-Autos. Dieses Pulver bringen wir in eine ultrareine Umgebung, wo ein Vakuum herrscht, das noch leerer ist als der Weltraum rund um die Erde. Dann erhitzen wir das Pulver ganz langsam, bis es verdampft und anschließend auf einer Oberfläche aus reinem Gold kondensiert. Das ist die eigentliche Rennstrecke. Von den ursprünglichen Milliarden Nanocars bringen wir ungefähr 50 in einem kleinen Bereich auf der Strecke zusammen. Dann müssen wir nur noch einen für das Rennen auswählen – und los geht’s!

Und wie kann man sich das Training für das Nanocar Race vorstellen?

Hier in Basel in der Gruppe von Prof. Ernst Meyer haben wir viel Erfahrung im Umgang mit Rasterkraft- und Rastertunnelmikroskopen. Wir haben hier unser eigenes Mikroskop, mit dem wir für das Nanocar Race trainieren. Dabei jagen wir erst einen ganz leichten Stromstoß durch das Auto, damit es sich in die gewünschte Richtung bewegt – und dann machen wir ein Bild, um zu sehen, wo genau es hingefahren ist und in welcher Ausrichtung es zum Stehen gekommen ist. Unser Geschwindigkeitsrekord liegt momentan bei 20 Nanometern pro Stunde. Den habe aber nicht ich aufgestellt, sondern unser Co-Pilot Tobias Meier

Und wozu eigentlich der ganze Aufwand?

Dafür gibt es viele Gründe. Vor allem können wir damit unser Forschungsgebiet für die Allgemeinheit zugänglicher machen. Denn molekulare Maschinen haben ein riesiges Potenzial: Zum Beispiel könnten in Zukunft die Chips in unseren Computern durch einzelne Moleküle ersetzt werden. Dazu müssen wir aber erst besser verstehen, wie die Moleküle sich verhalten und wie man sie am besten dazu bringt, zu tun, was wir von ihnen wollen. Unsere Forschung hat aber auch Anwendungen in der Biologie: Alle Moleküle in unserem Körper sind gewissermaßen auch Maschinen – und wenn wir verstehen, wie sich ein Nanocar verhält, lernen wir vielleicht auch etwas über die Maschinen in uns.

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05 2017 THE RED BULLETIN INNOVATOR

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