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StartseiteForschung aktuellAttraktiv oder abstoßend04.02.2008

Attraktiv oder abstoßend

Neue Erkenntnisse über eine mysteriöse Kraft aus dem Nichts

Physik. - Wenn Nanoforscher versuchen, winzige Maschinchen zu basteln, die in einem Stecknadelkopf Platz finden, dann haben sie derzeit einen mächtigen Gegner: Eine quantenmechanische Kraft lässt die filigranen Zahnräder, Stangen und Hebel miteinander verkleben, sobald sich die mechanischen Bauteile auf ein paar Millionstel Zentimeter annähern. Casimir-Kraft so heißt dieser physikalische Effekt, der den Nano-Ingenieuren zu schaffen macht. Forscher aus Stuttgart haben nun möglicherweise einen Weg gefunden, um sie in ihre Schranken zu weisen.

Von Ralf Krauter

Was bei Uhrwerken perfekt geht, ist in der Nanowelt wegen der Casimir-Kraft schwierig. (Stock.XCHNG / Donald Lee)
Was bei Uhrwerken perfekt geht, ist in der Nanowelt wegen der Casimir-Kraft schwierig. (Stock.XCHNG / Donald Lee)

Die Casimir-Kraft ist Sand im Getriebe von Nanomaschinen. Sobald Ingenieure winzige Zahnräder auf Tausendstel einer Haaresbreite zusammenrücken, kleben sie zusammen. Das Getriebe frisst sich fest. Schuld daran sind allgegenwärtige quantenmechanische Energiefluktuationen, die Objekte auf Tuchfühlung zueinander hinziehen, erklärt Professor Clemens Bechinger von der Universität Stuttgart.

"”Das Problem mit diesen Kräften ist, die sind so fundamental, die können sie nicht einfach ausschalten. Und deshalb ist momentan eine relativ große internationale Forschungsaktivität dem Ziel gewidmet, repulsive quantenelektrodynamische Casimir-Kräfte zu erzeugen.""

Abstoßende Quanten-Kräfte also, die die störenden anziehenden Kräfte neutralisieren und so quasi als Schmiermittel wirken könnten, das selbst filigranste Mechaniken rund laufen lässt. Dass diese Vision im Prinzip Wirklichkeit werden könnte, haben die Stuttgarter Physiker jetzt nachgewiesen – allerdings nicht mit einer Nanomaschine, sondern mit einem simplen mikrometergroßen Plastikkügelchen, das in einer Flüssigkeit schwebt. Der Doktorand Christopher Hertlein, der die Messung gemacht hat, zeigt auf Linsen und Spiegel, die einen blauen Laserstrahl auf ein Glasplättchen lenken.

"Also hier ist eine Zelle aus Glas, mit zwei Stutzen zum Befüllen. Da befindet sich die Flüssigkeit drin und die Kugel schwimmt eben auch direkt in dieser Flüssigkeit."

Die Flüssigkeit ist ein Gemisch aus Wasser und Lutidin, einer klaren, öligen Substanz, die sich in Wasser löst. Aufgrund der Brownschen Molekularbewegung, flitzt das Plastikkügelchen darin im Zickzack in hin und her. Hertlein:

"Wir haben einen Laser eingestrahlt, der diese Kugel getroffen hat. Und je nachdem, was für eine Helligkeit die Kugel aus dem Lichtfeld ausgekoppelt hat, konnte man den Partikel-Wand-Abstand bestimmen."

Je näher das Kügelchen der Gefäßwand kommt, desto heller beginnt es zu leuchten. Interne Totalreflexion heißt dieses Messverfahren und es ist eine hochempfindliche Methode, um die Kräfte zu messen, die das Kügelchen spürt. Clemens Bechinger:

"Die Genauigkeit der Messmethode, die liegt im Bereich fünf bis zehn Femtonewton. Zum Vergleich: Das ist ungefähr das Millionste der Gewichtskraft eines Flohs. Also es ist schon eine sehr empfindliche Messmethode."

Die Forscher wollten messen, welche zusätzliche Kraft die Kugel spürt, wenn die Flüssigkeit auf etwa 34 Grad Celsius erwärmt wird. Bei dieser kritischen Temperatur, sagt Professor Siegfried Dietrich, Direktor am Stuttgarter Max-Planck-Institut für Metallforschung, beginnt die Lösung aus Wasser und Lutidin nämlich, sich zu entmischen.

"So dass auf kleinen Skalen eine Melange entsteht, in dem Fall von ölhaltigen und wasserhaltigen Bereichen. Diese Konzentrationsschwankungen haben eine Analogie zu den Schwankungen des elektromagnetischen Feldes im Vakuum. Sie sind von anderem Charakter, sie sind komplizierter zu berechnen, aber sie entfalten eine ähnliche Wirkung."

Im Klartext heißt das: Die Plastikkugel wird von einem Flüssigkeitsanalogon jener Casimir-Kraft, die Nanomaschinen lähmt, in Richtung Gefäßwand gezogen – und zwar mit maximal 600 Femtonewton, also weniger als dem Millionstel Teil eines Millionstel Newtons. Eine so irrwitzig kleine Kraft überhaupt messen zu können, ist an sich schon bemerkenswert. Praktische Relevanz könnte vor allem die zweite Entdeckung der Stuttgarter Physiker haben: Die kritische Casimir-Kraft in Flüssigkeiten lässt sich umpolen. Wenn man das Plastikkügelchen mit einer ölliebenden Beschichtung ummantelt, treibt es die Casimir-Kraft von der wasserliebenden Glaswand fort. Durch clevere Beschichtung ihrer Komponenten könnten Nanomaschinen also vielleicht doch einmal rund laufen. Allerdings nur - und das ist die große Einschränkung - während des Betriebs in genau temperierten Flüssigkeitsgemischen, in denen der abstoßende Casimir-Effekt das Zusammenkleben ihrer Mechanik verhindert.

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