Als een machine vastloopt, is dat de schuld van de ingenieur of het apparaat. Dat laatste geldt tenminste voor de eerste eenvoudige nanomachines, die door de Casimir-kracht werden afgeremd. Deze kracht werkt binnen enkele miljoenste delen van een centimeter en laat minuscule machinedelen aan elkaar plakken.
Wetenschappers van het Max-Planck Institut für Metallforschung in Stuttgart en het 2e Natuurkundig Instituut aan de Faculteit Wiskunde en Natuurkunde van de Universiteit Stuttgart hebben een dergelijk kracht in een mengsel van twee vloeistoffen waargenomen en een manier gevonden om de werking van de kracht om te keren. Hiermee wordt het mogelijk om nanomachines verder te verkleinen voor gebruik als schakelaar of sensor.
Twee metalen platen, in vacuüm en bij het absolute nulpunt op 0,5 µm van elkaar, trekken elkaar op geheimzinnige wijze aan. De kracht die de platen samentrekt berust op de kwantummechanische schommelingen in het vacuüm, komt dus uit het niets. Deze kracht varieert onder invloed van elektromagnetische golven. Daarvoor moeten op de oppervlakken van de twee elektrisch geleidende platen knooppunten zijn. Het aantal golven tussen de platen moet daarom beperkt blijven. Buiten de platen kunnen ze zich echter ongehinderd voortplanten. Hieruit ontstaat uiteindelijk een aantrekkingskracht. Dit effect, voorspelde Hendrik Casimir al in 1948, zorgt er voor dat de onderdelen van nanomachines aan elkaar blijven plakken.
Casimir-kracht
De kritische Casimirkracht ontleent zijn naam aan het feit, dat hij dicht bij een kritisch punt optreedt. De kracht is zo zwak, dat hij nauwelijks is te meten. Wetenschappers van de genoemde instituten hebben een dergelijke kracht experimenteel vastgesteld in een vloeistofmengsel van water en Lutidin (olie). De meetresultaten komen overeen met de waarden die theoretisch werden voorspeld in het Max-Planck Institut.
Bij lage temperaturen is een mengsel van water en Lutidin een heldere oplossing. Bij 34°C ontleden ze in twee verschillende fasen, waarbij de ene veel Lutidin en andere veel water bevat. Dit gebeurt niet plotseling. Ook onder de kritische temperaturen ontstaan er al fasen die meer Lutidin of meer water bevatten. Hoe dichter de temperatuur de kritische temperatuur nadert, des te groter worden deze fasen en des te langer blijven ze bestaan. De verandering van de concentraties in de verschillende delen van het mengsel lijkt op de kwantummechanische fluctuaties in het vacuüm. Deze concentratie wisselingen veroorzaken ook een aantrekkende kracht tussen oppervlakken.
Experiment
De wetenschappers voerden hun experimenten uit met een kunststof kogel met een doorsnede van 1 µm die zweefde in een glas met Lutidin en water. De temperatuur van de oplossing lag ruim onder de kritische temperatuur van 34°C en werd langzaam verhoogd. Bij 33,8°C bewoog de kogel richting de glazen wand. De afstand tot de wand werd bepaald met behulp van een optisch veld, dat op de kunststof kogel verstrooide. Hieruit werd de kracht verkregen die op de kogel werkte. De opgewarmde vloeistofmoleculen zorgden voor extra beweging, zodat de Casimirkracht werd bepaald uit de statistische uitschieters richting de glazen wand
De gebruikte meetmethode is duizend keer gevoeliger dan de atoomkrachtmicroscopie die de aantrekkingskracht meet van een oppervlak op een meetarm. De vastgestelde kritische Casimirkracht is slechts 600 fN (Femto-Newton), kleiner dan een miljoenste deel van het gewicht van een vlo.
Uitkomst voor medische wetenschap
Dit experimentele bewijs biedt perspectieven om blokkades binnen nanomachines te verhinderen. Deze minimachines kunnen bijvoorbeeld als actuatoren in de medische wetenschap operaties mogelijk maken zonder grote ingrepen of gericht medicijnen transporteren naar de ziektebron. Tot nog toe mislukte dit, onder andere door de invloed van de Casimirkracht in een vacuüm. Als de mini’s in de vloeistofmengsel dicht tegen het kritische punt aan zouden werken, is het idee van de onderzoekers, zijn de machinedelen zo te bekleden dat de Casimirkracht afstotend werkt zodat de machines blijven bewegen.
