Faszination Nanotechnologie

In ein bis zwei Jahrzehnten wird die Menschheit in ein neues Zeitalter eintreten, in dem fast nichts mehr unmöglich sein wird. Nach der „Nano“-Revolution werden unsere heutigen Technologien so veraltet wirken, wie ein Faustkeil neben einem Supercomputer. Das behaupten zumindest wissenschaftliche Vorkämpfer der Nanotechnologie. Genauso selbstverständlich wie heute ein Mikrowellenherd soll dann in jedem Haushalt ein „Nano-Manipulator“ stehen. Er soll einen alten Schuh in ein bis zwei Stunden in ein saftiges Steak verwandeln können, durch die gezielte Manipulation einzelner Moleküle.

Was noch wie Science Fiction klingt, ist heute im Labormaßstab schon möglich: Forscher haben mit dem Rastertunnelmikroskop ein mögliches Universalwerkzeug dieser Nano-Zukunft erfunden. Sie können mit ihm gezielt einzelne Atome und Moleküle bewegen. Vor zwei Jahrzehnten war das noch undenkbar. „Quarks & Co“ fragt, was dran ist an den Nano-Utopien, ob Ängste vor einer Zukunft mit ungebremsten Nano-Robotern berechtigt sind und ob bald Mini-U-Boote im Körper auf der Suche nach Krebszellen patroullieren.

 

Die modernen Alchimisten? Nanotechnologen und ihre Visionen

Abends kommt der Nanotechnologe nach Hause, schiebt eine undefinierbare Grundmasse in seinen Nanomanipulator und heraus kommt nach 5 Minuten ein saftiges Steak. Solche Visionen sind natürlich Science-Fiction pur, aber auch seriösere Zukunftsprophezeihungen führender Nanotechniker haben es in sich.

Schöne neue Welt?

Einige Nanotechniker glauben, dass man mit der Nanotechnologie in 50 oder 1.000 Jahren fast jedes Material, jeden Gegenstand von Grund auf selbst herstellen kann: indem man es Atom für Atom maßgeschneidert zusammenbaut. Ohne Abfälle. Ohne Umweltverschmutzung. Billig.

Medizinspezialisten wie der Amerikaner Robert Freitas träumen schon heute von einer Nanomedizin der Zukunft. Da ist von kleinen Robotern die Rede, die durch die Blutbahn kreisen, Viren töten, Zellen reparieren und andere nützliche Arbeiten im Körper erledigen. Künstliche, selbstbewegliche rote Blutkörperchen, aufgeladen mit wertvollem Sauerstoff, retten Infarktpatienten. Andere Miniroboter können sogar Genschäden beheben.

Andere Wissenschaftler glauben, dass man mit Hilfe der Nanotechnologie neue Materialen entwickeln kann, „50-mal fester als Stahl und dabei viel leichter“ lauten da die Prognosen.

Computer werden um ein vielfaches kleiner, leichter und dabei viel leistungsfähiger sein. Menschenähnliche Roboter nehmen uns viel Arbeit ab. In Sachen Intelligenz werden sie uns überlegen sein.

Wenn das Wörtchen wenn nicht wäre…

Solche Visionen kann man relativ einfach veröffentlichen, den Beweis, ob und wann sie Wirklichkeit werden könnten, muss der Autor ja nicht unbedingt antreten.

Auffällig ist, dass die Kluft zwischen den heutigen Möglichkeiten der Nanotechnologie und diesen Visionen riesengroß ist. Von Robotern, die so klein sind, dass sie im Nanobereich arbeiten können, sind die Techniker noch „meilenweit“ entfernt. Gegenwärtig werden gerade Roboter entwickelt, deren kleinste Bauteile einige Mikron groß sind, also nicht mal halb so dünn wie ein Haar, aber immer noch tausend mal zu groß für den Nanobereich.

Bisher ist es auch nicht gelungen, Atome mechanisch dreidimensional (also ähnlich wie Legosteine) kontrolliert zusammenzubauen. Und wie sollen die Millionen von kleinen Nanorobotern, die nötig wären, um Gegenstände aus Atomen zusammenzubauen, gesteuert und mit Energie versorgt werden? Viele ungelöste Fragen …

 

Reise in die Nanowelt

In einer visionären Rede vor der „American Physical Society“ fragte sich der amerikanische Physiker Richard Feynman, ob es nicht möglich wäre, die gesamte „Encyclopedia Brittanica“ auf den Kopf einer Stecknadel zu schreiben. Und nach ein paar Berechnungen stellte Feynman sogar die These auf, dass theoretisch die gesamte Weltliteratur in einem dreidimensionalen Stück Materie gespeichert werden könne, das gerade so groß ist, wie ein Staubkorn. Seine Überlegungen fasste er in einem Satz zusammen: „There is plenty of room at the bottom“. Der Nobelpreisträger Feynman wurde mit dieser Rede zum ersten Visionär der Nanotechnologie.

In der Nanotechnologie dreht sich alles um die Erforschung und die Kontrolle kleinster Strukturen in der Welt der Atome und Moleküle. Ein einzelnes Atom ist etwa ein zehntel Nanometer groß. Zum Vergleich: Ein Meter verhält sich zu einem Nanometer, wie der Durchmesser unseres Erdballs zu dem einer Haselnuss. Bei der Größe von 100 Nanometern beginnt die Nanowelt, eine fließende Grenze. In diesem Nanokosmos gelten andere Gesetze als in unserer Alltagswelt.

Teilchen, die nur wenige Nanometer groß sind, nennt man Nanopartikel. Auch sie haben außergewöhnliche Eigenschaften. Im Verhältnis zu ihrem Volumen haben sie eine riesige Oberfläche. Deshalb können Schichten aus Nanopartikeln extrem hart und kratzfest sein. Der Grund: Die Haftkraft und die Bindung anderer Partikel hängt direkt mit der Größe der Oberfläche zusammen.

 

Das Schweizer Messer der Nanowelt

Mit einem verblüffend einfachen Gerät gelang 1981 zwei Forscher der Computerfirma IBM etwas, was davor niemand für möglich gehalten hatte: einzelne Atome zu sehen. Eigentlich wollten der Deutsche Gerd Binnig und der Schweizer Heinrich Rohrer nur Oberflächen untersuchen und das auf möglichst kleinem Maßstab. Heraus kam ein Mikroskop, das einzelne Atome abbilden kann – das Rastertunnelmikroskop. Das Prinzip: Eine hauchfeine Nadel wird langsam der Probe genähert. Ist die Lücke zischen Spitze und Oberfläche geringer als ein Nanometer, so beginnt ein Strom zu fließen. Dieser berührungslose Stromfluss ist eine Besonderheit der Nanowelt und wird Tunnelstrom genannt. Die Spitze wird nun zeilenweise über die Probe geführt, und zwar so, dass der Tunnelstrom konstant bleibt. Die Nadel bleibt also immer im gleichen Abstand zur Probe. Ein Computer zeichnet die Hebe- und Senkbewegungen auf, die nötig sind um den Abstand konstant zu halten und erhält so ein exaktes Höhenprofil der Oberfläche.

Das Rastertunnelmikroskop wurde rasch weiter entwickelt. Eine ganze Familie von Mikroskopen entstand und mittlerweile können nicht nur hochgenaue Oberflächenbilder erstellt, sondern auch andere Materialeigenschaften wie Leitfähigkeit, Magnetismus und Elastizität atomgenau untersucht werden. Binnig und Rohrer erhielten 1986 für ihre genial einfache Erfindung den Nobelpreis für Physik.

Den Schritt vom Mikroskop zum Werkzeug machte das Rastertunnelmikroskop 1989. Der Amerikaner Don Eigler bemerkte, dass er beim Mikroskopieren einige Atome auf der untersuchten Oberfläche mit der Mikroskopspitze verschoben hatte. Mit etwas Übung gelang es ihm, Atome gezielt zu manipulieren. Heute gehört auch diese Technik zum Standard, auch wenn sie von vielen Wissenschaftlern eher als Spielerei angesehen wird.

 

Selbstorganisation- Konstruktionsmethode der Zukunft?

In allen Visionen und Lobgesängen zur Zukunft der Nanotechnologie wird eine wichtige Frage bestenfalls vage beantwortet: Wie stellt man nanometerkleine Werkstücke eigentlich her?

Traditionell: Ätzen, Schneiden, Sägen

Bisher folgte die Herstellung kleinster Strukturen einem einfachen Rezept: Man nehme einen großen Block und säge, schneide und ätze solange an ihm herum bis das Werkstück die richtige Form hat. Diese Strategie – von den Fachleuten Top-to-Bottom-Verfahren genannt – war in der Vergangenheit sehr erfolgreich. Computer-Chips werden zum Beispiel so hergestellt. Allerdings gibt es für dieses Verfahren eine Grenze: Selbst mit allen technischen Kniffs und Tricks lassen sich keine Werkstücke erzeugen, die kleiner als 50 Nanometer sind jedenfalls nicht in großer Zahl. Hier treten die Verfechter einer anderen Methode auf den Plan: Sie wollen Nanoprodukte Atom für Atom zusammen setzen.

Von unten nach oben: Atom für Atom

Seit der Erfindung des Rastertunnelmikroskops durch Gerd Binnig 1981 hat man das geeignete Werkzeug, um Atome und Moleküle zu manipulieren. Forschern an der Freien Universität Berlin ist es kürzlich sogar gelungen, mit dem Rastertunnelmikroskop einzelne chemische Bindungen aufzubrechen und andere neu zu schließen. Diese Methode hat aber einen entscheidenden Nachteil: Sie ist sehr langsam. Selbst kleine Nanopartikel enthalten meist einige Zehn bis Hundert Atome. Diese zusammenzusetzen braucht viel Zeit.

Elegant: Selbstorganisation

Ausweg könnte ein sehr elegantes Verfahren sein: die Selbstorganisation. Das Prinzip: Man wirft die Einzelteile zusammen in einen Topf rührt um und die Einzelteile bauen sich von selbst zusammen. Dieses Verfahren funktioniert natürlich nur, wenn die Bausteine – also Atome oder Moleküle – richtig vorbereitet sind. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz versuchen dies, in dem sie künstliche Plastikmoleküle mit besonderen Eigenschaften herstellen. Werden deren Enden so präpariert, dass sie elektrisch geladen sind oder chemisch reaktiv, dann ordnen sie sich von selbst zu regelmäßigen Gittern an – der erste Schritt zu nanofeinen Drähten.

Einen anderen Weg beschreitet eine Forschergruppe um Prof. Bimberg an der technische Universität Berlin: Die Wissenschaftler dampfen Atome auf eine Unterlage auf. Innerhalb von wenigen Sekunden ordnen sich die Atome zu absolut regelmäßigen Pyramiden mit eine Höhe von 5 Nanometern an, und zwar mehreren Millionen pro Quadratzentimeter. Der Effekt beruht auf der Wechselwirkung zwischen aufgedampften Atomen und Unterlage. Die Pyramiden sind Teil eines neuen, höchst effektiven Lasers.

Der beste Selbstorganisierer ist allerdings mit großem Abstand die Natur: Pflanzen, Menschen, Tiere entstehen schließlich ohne einen Konstrukteur und ohne Werkzeug.