Auf dem Weg zur künstlichen Nase

Schwingende Nanosaiten fangen Moleküle

Nanowissenschaftlern aus München ist ein wichtiger Fortschritt auf dem Weg zur künstlichen Nase gelungen. Sie haben Nanosaiten aus Silizium-Nitrid entwickelt, die als Messfühler einzelne Moleküle "erschnuppern" können.

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Künstliche Nasen sind sogenannte Nano-Elektromechanische Systeme (NEMS), Chips, auf denen viele dünne Nanosaiten mit einem Durchmesser von 100 Nanometern (ein Zehntausendstel Millimeter) angebracht sind. Diese Saiten sind so beschichtet, dass sie jeweils eine bestimmte Molekülsorte anziehen. Zum Messen werden die Saiten in Schwingungen versetzt. Setzt sich ein Molekül daran fest, wird die Saite schwerer und schwingt messbar langsamer. "Eine Messung der Schwingungsperiode ermöglicht also, chemische Substanzen molekülgenau nachzuweisen", erklärt Quirin Unterreithmeier, Physiker an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) in München.

Künstliche Nase: Nanosaite als Molekülsensor (Foto: LMU)
Künstliche Nase: Nanosaite als Molekülsensor (Foto: LMU)
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Nach diesem Prinzip könnte also ein leistungsfähiges chemisches Detektionssystem - eine künstliche Nase eben - gebaut werden. Auf einem Chip von der Größe eines Fingernagels fänden leicht mehrere tausend Saiten Platz. Die praktische Umsetzung bereitet jedoch noch einige Probleme. So können zwar Nanosaiten aus leitfähigen Materialien magnetomechanisch, piezoelektrisch oder elektrothermisch zum Schwingen gebracht werden. Die Saiten müssen dazu aus Metall bestehen oder mit Metall beschichtet sein. Solche Nanosaiten schwingen jedoch nicht genug, um als empfindliche Messfühler einzelne Moleküle aufspüren zu können.

Die Münchner Wissenschaftler haben nun Nanosaiten aus Silizium-Nitrid konstruiert, die bessere Messergebnisse erbringen. Da dieses Material jedoch nicht leitend ist, bedürfte es einer anderen Methode, um die Saiten zum Schwingen zu bringen. Dieses Problem lösten die Wissenschaftler, indem sie sich das Prinzip der dielektrischen Wechselwirkung zunutze machten: Zwei Goldelektroden erzeugen ein elektrisches Feld, das die Saiten in Schwingungen versetzt. Diese werden von zwei weiteren Elektroden gemessen.

Den Aufbau hätten die Wissenschaftler im Ätzverfahren hergestellt, erklärt die Physikerin Eva Weig. Es sei ohne großen Aufwand möglich, ihn auch "in zehntausendfacher Wiederholung auf einem Chip" zu realisieren. Außer als künstliche Nase seien weitere Anwendungen für Silizium-Nitrid-Nanosaiten denkbar, etwa in der Messtechnik oder als Taktgeber für Uhren.

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Die Münchner Forscher beschreiben ihre Ergebnisse in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins Nature.

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