Die Kraft, ein Atom zu bewegen

Fast 20 Jahre, nachdem IBM-Forscher erstmals die Position einzelner Atome gezielt manipuliert haben, ist es Wissenschaftlern des IBM Almaden Research Center und der Universität Regensburg zum ersten Mal gelungen, die Kräfte zu messen, die benötigt werden, um ein einzelnes Atom über eine Oberfläche hinweg zu bewegen. Für die Bewegung eines einzelnen Kobaltatoms über eine flache Platinoberfläche werden beispielsweise 210 Pikonewton benötigt. Möchte man das Kobaltatom über eine Kupferoberfläche schieben, braucht man aber nur 17 Pikonewton.



Die benötigte Kraft hängt dabei nicht nur vom Material der Unterlage ab, sondern auch davon, ob man ein einzelnes Atom oder ein Molekül verschieben will. Um eine Vorstellung der geringen Kräfte zu bekommen, die zum Verschieben eines Atoms nötig sind, hat IBM auch die Kraft gemessen, die man braucht, um eine 2-Eurocent-Münze anzuheben, die gerade einmal drei Gramm wiegt: 30 Milliarden Pikonewton. Das ist fast zwei Milliarden Mal grösser, als die Kraft, die benötigt wird, um das Kobaltatom über Kupfer zu schieben.

Um die Kräfte zu messen, haben die Forscher ein Rasterkraftmikroskop eingesetzt, mit dessen Hilfe sie auch die Richtung der Kraft messen können, die auf ein Atom oder Molekül einwirkt, wenn es mit einer feinen metallischen Spitze auf einer Oberfläche bewegt wird. Die metallische Spitze ist auf einer Art Stimmgabel aus Quarz montiert, die bei Annäherung an das Atom ihre Schwingung verändert, woraus die Forscher die auf das Atom ausgeübte Kraft ableiten können.
Die Forscher feiern ihre Arbeit als grossen Durchbruch, da das Wissen um die Kräfte zur Atombewegung eine wichtige Grundlage sei, um Nanostrukturen konstruieren zu können. Dies sei eine Voraussetzung für die Entwicklung neuer Technologien im Nanobereich, beispielsweise für die Informationstechnik (Speicher) oder die Medizin.