Schwedische Studie

Neue Mikro-Motoren sind dünner als ein menschliches Haar

Zahnräder treiben die Welt an – im wahrsten Sinne des Wortes: Ob in Uhren, Autos, Robotern oder Windrädern, ohne sie würde kaum eine Maschine funktionieren. Doch wenn es darum geht, diese mechanischen Wunderwerke in winzige Dimensionen zu verkleinern, um Mikromotoren zu bauen, stoßen Forscher:innen seit Jahrzehnten an ihre Grenzen. Bei einer Größe von rund 0,1 Millimetern schien das Ende des Machbaren erreicht – bis jetzt. Denn Forschende der schwedischen Universität Göteborg und anderen Organisationen haben diese Grenze nun gesprengt. Und zwar mithilfe von Laserlicht.

Antrieb mittels Laser

Konkret haben die Wissenschaftler:in für ihre Studie, die jüngst im Fachmagazin Nature Communications publiziert wurde, von traditionellen mechanischen Antriebssträngen abgelassen und stattdessen auf Laserlicht gesetzt, um die Zahnräder direkt in Bewegung zu versetzen und somit winzige Maschinen antreiben zu können. Dies geschieht mittels sogenanntem optischem Metamaterial – das sind speziell strukturierte Materialien, die Licht im kleinsten Maßstab einfangen und lenken können. Mit einer herkömmlichen Lithografie-Technik stellten sie Zahnräder aus Silizium direkt auf einem Mikrochip her. Diese Zahnräder sind nur wenige Dutzend Mikrometer groß. Wird das Metamaterial mit einem Laser bestrahlt, beginnt das Zahnrad sich zu drehen. Die Stärke des Laserlichts bestimmt, wie schnell es sich bewegt, und durch eine Änderung der Lichtausrichtung lässt sich sogar die Drehrichtung steuern.

"Wir haben einen Getriebezug gebaut, bei dem ein lichtgetriebenes Zahnrad die gesamte Kette in Bewegung setzt. Die Zahnräder können auch eine Rotation in eine lineare Bewegung umwandeln, periodische Bewegungen ausführen und mikroskopische Spiegel steuern, um das Licht abzulenken", erklärt der Erstautor der Studie Gan Wang, der an der Universität Göteborg im Bereich Physik der weichen Materie forscht.

Bedeutender Schritt in der Forschung zu Mikromotoren

Damit sei man kurz davor, funktionierende Mikromotoren zu entwickeln, die etwa 0,016 Millimeter groß sind – und damit deutlich dünner als ein menschliches Haar, das im Durchmesser etwa 0,04 bis 0,1 Millimeter misst. Die Möglichkeit, solche Maschinen direkt auf einem Chip zu integrieren und mit Licht zu betreiben, eröffne völlig neue Möglichkeiten, erklären die Forschenden. Da das Laserlicht keinen festen Kontakt mit der Maschine benötige und leicht zu steuern sei, könne der Mikromotor schließlich zu komplexen Mikrosystemen hochskaliert werden. "Dies ist eine grundlegend neue Art, über Mechanik im Mikromaßstab nachzudenken. Indem wir die sperrigen Kupplungen durch Licht ersetzen, können wir endlich die Größenbarriere überwinden", so Gan Wang.

Eingesetzt werden könnten solche Mikromotoren etwa im Bereich der Medizin – immerhin gebe es menschliche Zellen, die sich in derselben Größenordnung bewegen. "Wir können die neuen Mikromotoren als Pumpen im menschlichen Körper einsetzen, um zum Beispiel verschiedene Strömungen zu regulieren. Ich untersuche auch, wie sie als Ventile funktionieren, die sich öffnen und schließen", so der Wissenschaftler abschließend.

Die gesamte Studie kann hier nachgelesen werden.

www.gu.se