Aufbau eines Nanomanipulators

Nanotechnologen versprechen viel: Elektronik aus einzelnen Molekülen, superstarke, leichte Materialien, ultrafeine Kapseln, die Medikamente zu bestimmten Organen oder Zellen im Körper transportieren. Aber um an Materialien in dieser Größenordnung herumzubasteln, benötigen Forscher Werkzeuge, um ihre unsichtbar kleinen Exemplare zu untersuchen und zu stupsen. Und Hersteller werden Ausrüstung benötigen, um diese zukünftigen Wunderwerke in Serie zu produzieren. Solche Instrumente sind nicht billig. Der gängige Preis für einen Nanomanipulator – eine Maschine, die so genannt wird, nicht weil sie selbst winzig ist, sondern weil sie Dinge mit Nanometer-Präzision bewegen kann – beträgt Zehntausende von Dollar. Der MIT-Professor für Maschinenbau und TR100-Preisträger Martin Culpepper glaubt, dass er mit einem anderen Ansatz beim Maschinendesign bessere Instrumente für weniger als 3.000 US-Dollar pro Stück herstellen kann. Bestehende Nanomanipulatoren, betont er, haben eine Reihe verschiedener Gelenke und Verbindungen, die zusammengebaut werden müssen. Da die Lücken zwischen den Teilen viele Nanometer groß sein können, ist dieses alte Paradigma, wie er es nennt, für Bewegungen im Nanomaßstab unpraktisch. Stattdessen besteht die Maschine von Culpepper aus einem Stück, das sich ganz leicht biegt und biegt. Er zeigt Dan Cho von TR, wie man ein superkleines Uhrwerk ohne astronomischen Preis herstellt.

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1. Wie Butter. Der Nanomanipulator beginnt in einer Maschinenhalle, in der zwei von Culpeppers Doktoranden, Soohyung Kim und Nathan Landsiedel, Stücke aus Metall schneiden. Sie legen eine Titanplatte auf das Bett eines Wasserstrahlschneiders und geben Anweisungen von einer Computerdiskette in die angrenzende Konsole ein. Mit einer beweglichen Düse, die einen millimeterbreiten Wasserstrahl mit Granatpartikeln versprüht, kann die Maschine innerhalb von Minuten komplizierte Formen schneiden.

Der 2004er TR100

Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom Oktober 2004



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2. Gleitzeit. Culpepper hält eines der frisch geschnittenen Stücke hin. Dies ist das Herzstück seiner Maschine: Drei flache Streifen, die sich symmetrisch von einem gemeinsamen Zentrum verzweigen und von einem drahtigen Rahmen umgeben sind, um ein vages Dreieck zu bilden. Es gibt einen Zweck in dieser merkwürdigen Geometrie. In der Mitte oder Stufe des Dreiecks würde eine Sonde in einem vollständigen Instrument befestigt werden. Man hält diese drei Punkte, sagt Culpepper und deutet auf drei scheibenförmige Vorrichtungen, die an den gebogenen Armen zwischen den Ecken des Dreiecks hängen, dann drückst du jede dieser Laschen zur Seite oder nach oben und unten. Er zeigt die Enden der flachen Streifen und demonstriert, wie das Aneinanderschieben zweier Laschen die Mitte von beiden wegbewegt. Drücken Sie auf alle drei und die Mitte bewegt sich nach oben. Durch Drücken verschiedener Kombinationen von Laschen kann er die Bühne in jede mögliche Richtung verschieben oder verdrehen. Dies nennen Ingenieure Sechs-Achsen-Bewegung, etwas, das bestehende Nanomanipulatoren nur schwer erreichen können.

3. Anhängen. Culpepper schraubt das flexible Teil auf die Aluminiumbasis seiner Maschine. Eine Drehung eines der langen, seitlich abstehenden Noppen bewegt die benachbarte scheibenförmige Halterung um einige Mikrometer. Mit diesen Knöpfen kann Culpepper die Form des Dreiecks anpassen und es auf verschiedene Aufgaben abstimmen. Wir können ihm einen größeren oder kleineren Bewegungsbereich oder eine feinere Auflösung geben, erklärt er, damit die Leute nicht mehrere tausend Dollar ausgeben müssen, nur um eine Aufgabe zu erledigen.

4-5. Prime-Mover. Als nächstes befestigt Culpepper die Basis an drei Aktuatoren, den Komponenten, die die flexiblen Laschen auf Befehl drücken und ziehen. Jeder Aktuator besteht aus Aluminiumzylindern, die mit handgewickeltem Kupferdraht umwickelt sind. Im Inneren befinden sich lange stabförmige Stücke, die an den Enden mit starken Magneten verschlossen sind. Wenn Strom durch die Drähte geleitet wird, erzeugt er im Aktuator ein Magnetfeld, das die Magnete und den Mechanismus zur einen oder anderen Seite oder nach oben und unten drückt.

6. Achten Sie auf die Lücke. Oben auf dem Gerät befestigt Culpepper ein sperriges Stück, das mit Drähten übersät ist. Diese dreieckige Aluminiumkrone enthält sechs zylindrische Kapazitätssensoren, die die Bewegung des Tisches präzise überwachen. Culpepper erwägt für zukünftige Versionen ein kompakteres, laserbasiertes Messsystem. Es kann sich ohne Sensoren bewegen, fügt er hinzu, aber bei der Präzision, die wir anstreben, ist es wichtig zu messen.

7. Stilles Laufen . Nachdem der Nanomanipulator zusammengebaut und verkabelt ist, geht Culpepper zum Computer, um ihn zu testen. Es ist nicht viel für das bloße Auge zu sehen, aber während er Befehle in die Tastatur eingibt, führt die Bühne des Manipulators eine Verrenkungsroutine im Nanomaßstab aus. Culpepper behält die Zahlen im Auge und hält Ausschau nach unerwarteten Störungen. Luftvibrationen, die durch normale Sprachgespräche hervorgerufen werden, können die Position der Bühne stören, obwohl eine sorgfältige Konstruktion diesen Effekt minimiert hat. Laborinstrumente, die den Manipulator enthalten – mit dessen Entwicklung Culpepper diesen Herbst beginnen wird – werden vollständig vor diesen Erschütterungen geschützt. Coupon-Clipping-Nanotechnologen könnten bald Grund zum Feiern haben.

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