Nanowelt Physiker entdecken Schwebekraft

Winzige Objekte sollen von allein schweben können - ganz ohne Hexerei. Das behaupten Forscher einer schottischen Universität, die eine anziehende in eine abstoßende Kraft verwandeln wollen. Der Effekt könnte die Nanotechnik revolutionieren.

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Ulf Leonhardt hat ein Händchen für spektakuläre Phänomene. Im Mai 2006 beschrieb er im Wissenschaftsmagazin "Science" den Bauplan für einen Harry-Potter-Umhang, der unsichtbar macht. Jetzt will der deutsche Physiker, der an der University of St. Andrews in Schottland forscht, eine mikroskopische Kraft entdeckt haben, die Objekte aus der Nanowelt schweben lassen soll.

Nanoauto: Bereits 2005 entwarfen Forscher diesen Miniaturwagen, der dank der nun entdeckten Schwebekraft noch runder laufen soll
Y. Shira/Rice University

Nanoauto: Bereits 2005 entwarfen Forscher diesen Miniaturwagen, der dank der nun entdeckten Schwebekraft noch runder laufen soll

Gemeinsam mit seinem Kollegen Thomas Philbin beschreibt er den erstaunlichen Effekt in einem Artikel, der in der August-Ausgabe des Fachblatts "New Journal of Physics" veröffentlicht werden soll. Die abstoßend wirkende Kraft zwischen mikroskopisch kleinen Objekten könnte ein grundlegendes Problem der Nanotechnologie lösen. Je kleiner mit Nanotechnik konstruierte Mikromaschinen werden, umso stärker wird die Wirkung der sogenannten Casimir-Kraft.

Die 1948 theoretisch vorhergesagte und zehn Jahre später experimentell nachgewiesene Kraft drückt zwei im Vakuum befindliche Platten zusammen, sofern sich diese nur wenige Nanometer voneinander entfernt befinden. "Das Nichts übt eine Kraft aus" - so beschreibt der Münchner Physiker Harald Lesch den paradoxen Casimir-Effekt.

Die Kraft entsteht, weil zwischen den beiden Platten weniger Vakuumfluktuationen auftreten, also weniger Teilchen- und Antiteilchen-Paare aus dem Nichts entstehen. Von außen drücken somit mehr Teilchen gegen die Metallplatten als von innen, was den Druckunterschied erklärt. Auch Geckos nutzen den Casimir-Effekt über die damit verwandte Van-der-Waals-Kraft, wenn sie dank der vielen feinen Härchen an ihren Füßen mühelos Wände erklimmen und kopfüber an der Decke spazieren.

Störendes Kleben

In der Nanotechnik hat die Casimir-Kraft unerwünschte Auswirkungen: Die Mini-Bauteile kleben immer stärker aneinander und erschweren so das Funktionieren der Konstruktionen. "Forscher haben dafür bereits den Begriff "sticktion" kreiert - eine Kombination aus stick (Kleben) und friction (Reibung)", sagte Philbin im Gespräch mit SPIEGEL ONLINE.

Philbin und Leonhardt glauben nun, die störende Klebkraft überwinden zu können, indem sie zwischen die Nanoobjekte bestimmte Linsen platzieren. "Diese Art von Linsen, sogenannte perfekte Linsen, existieren bereits", sagt Philbin. "Das ist allerdings ein theoretischer Ansatz, experimentell wurde das noch nicht untersucht."

Die beiden Physiker können mit den Linsen die Casimir-Kraft nicht abschaffen, aber sie so manipulieren, dass effektiv eine Abstoßung zustande kommt. "Wir haben eine Methode gefunden, wie man das Vakuum zurechtschneidern kann", sagt Leonhardt. Die Theorie hinter der Idee sei mit der Theorie von Unsichtbarkeitsgeräten verwandt. "Das Umwandeln der Klebekraft könnte die ultimative Lösung sein, um die Reibung in der Nanowelt zu reduzieren."

Cartoons und Paranormales

Die Entdeckung könnte helfen, Alltagsgegenstände vom Auto-Airbag bis zu Computerchips leistungsfähiger zu machen, betonen die beiden Wissenschaftler. Mikro- oder Nanomaschinen würden glatter laufen und könnten mit weniger oder gar keiner Reibung betrieben werden.

Frederico Capasso, Experte für den Casimir-Effekt von der Harvard University in Boston, zeigte sich beeindruckt von dem Vorschlag aus Schottland: "Das ist eine sehr clevere Idee", sagte er gegenüber dem Onlinedienst des Magazins "New Scientist". Allerdings glaubt er nicht an eine schnelle Umsetzung der Schwebetechnik, weil die Herstellung der dafür nötigen Linsen kompliziert sei.

Dass eines Tages sogar Menschen dank des Phänomens schweben können, hält Leonhardt für wenig wahrscheinlich. "Mit der derzeitigen Technik wird das nur mit mikroskopisch kleinen Objekte funktionieren", sagt er. Die Quantenkraft sei klein und wirke nur über kurze Entfernungen. "Schwebende Menschen bleiben Cartoons, Märchen und Fabeln aus der Welt des Paranormalen vorbehalten."



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