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6.10.2003

Erkundungen in der Nanowelt

In der Nanotechnologie finden nahezu alle wissenschaftlichen Bereiche zusammen – Physik, Chemie, Molekularbiologie und technische Ableger wie Nanoelektronik. In nanoskaligen Grenzgebieten werden die technischen Möglichkeiten von morgen vorbereitet.

Einleitung

Die alpdruckhaften Visionen, die gewisse Futurologen bisweilen von einer Zukunftswelt entwerfen, die durch Abgase vergiftet, vollgeraucht und in der energetischen oder thermischen Barriere steckengeblieben ist, sind unsinnig: In der nachindustriellen Entwicklungsphase bildet sich eine biotische Ingenieurskunst heraus, die alle Probleme dieser Art liquidiert. Die Beherrschung der Lebenserscheinungen gestattet es, künstliche Keimlinge zu produzieren, die man überall pflanzen kann (...)




Stanislaw Lem[1]

Wünschbare Technik kommt den Bedürfnissen des Menschen entgegen, ist funktional, effizient, erschwinglich; sie schadet niemandem, auch nicht der Umwelt. Wirklich gute Technik arbeitet so unaufdringlich, dass sie gar nicht als Technik erkannt wird. Nanotechnologie kann, quer durch alle naturwissenschaftlichen und technischen Disziplinen, umweltfreundlichere Materialien schaffen und - gewissermaßen unbemerkt - in allen Bereichen der Gesellschaft Anwendung finden. Die Nanomedizin etwa wird Krankheiten erheblich besser und schneller diagnostizieren und sogar behandeln. Ingenieure konstruieren ultraleichte "intelligente" Materialien. In der Informatik wird über die Verschmelzung zwischen Computern bzw. den weltweiten Datennetzen und menschlichen Nervennetzen nachgedacht.

Die Elektronik ist eines der wichtigsten Instrumente der Nanotechnologie, um solche Art von Technik auf den Feldern Gesundheit, Kommunikation, Mobilität, Unterhaltung, Sicherheit und Wohnen zu fördern. In keinem anderen Technikfeld wurde eine so drastische Steigerung von Funktionalität und Produktivität zugleich erreicht; ein Grund dafür ist eine "positive Rückkoppelung": Elektronik hilft bei der Entwicklung neuer Elektronik, Computer bauen Computer.

Nach der Erfindung des Transistors 1947 und deren Weiterentwicklung zur integrierten Schaltung setzte diese "positive Rückkoppelung" mit vollem Elan ein. Innerhalb kurzer Zeit wurde die Röhrentechnologie abgelöst, schrumpften die Dimensionen der schaltenden Elemente von Zentimetern auf Mikrometer. Der ungebrochene Schwung der Entwicklung wird beispielsweise die Mikroelektronik jetzt allmählich in die Nanoelektronik übergehen lassen, deren Maßstab nicht mehr das Mikrometer, das Tausendstel eines Millimeters, sondern das noch tausendfach kleinere Nanometer ist.

In den Industrieländern ist Elektronik allgegenwärtig, allein elektronische Bauelemente nehmen ein Marktvolumen von 226 Milliarden Euro ein. Diese Erfolgsgeschichte lässt gelegentlich vergessen, wie groß der Forschungsaufwand für ihre Realisierung war. Das gilt auch für die Grundlagenforschung: Ohne den in der Halbleiterphysik erzielten Wissenszuwachs wären ganze Elektronikzweige heute nicht existent. Die zahlreichen in Forschung und Entwicklung investierenden Firmen können sich in Deutschland auf eine wettbewerbsfähige Forschungslandschaft stützen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert vornehmlich solche Forschungsfelder der Nanoelektronik, die im Erfolgsfall das Kompetenzprofil des Standortes stärken und die Ansiedlung der entsprechenden Produktion in Deutschland nach sich ziehen.

Das Beispiel Nanoelektronik belegt: Nano boomt. Diese hierzulande bisher weitgehend nur in engen Zirkeln von Eingeweihten diskutierte Entwicklung ist gar nicht zu überschätzen. In den USA sind allein für das nächste Jahr Fördermittel in Höhe von 847 Millionen US-Dollar für die Nanotechnologie eingeplant. Vieles deutet daraufhin, das Nanotechnologie der Wachstumsmarkt des 21. Jahrhunderts sein wird.

Alles Nano? Eine Einführung

Ein Nanometer (nm) ist der millionste Teil eines Millimeters und damit dermaßen unanschaulich, dass Vergleiche wie "ein Zentrifugillionstel eines Haares" wenig hilfreich sind. Atome sind im Mittel noch zehnmal kleiner. Mittlerweile gibt es aber Instrumente wie das Rastertunnelmikroskop, mit denen man sich ein Bild von den Objekten dieser Nanowelt machen kann, und diese Bilder sind wieder mehr oder minder begreifbar. Wenn eine Technologie mit Nanometern operiert, spricht man von Nanotechnologie. Die Bezeichnung ist nicht streng definiert.[2]

Nanotechnologie ist im Prinzip nichts Neues, die Natur fährt seit dreieinhalb Milliarden Jahren gut damit. Denn ungefähr so alt ist die Photosynthese, die Umwandlung von einfachen Verbindungen in komplexere, nahrhafte, durch die Energie des Lichtes. Der nanoskalige Photosyntheseapparat ist ein Wunder der naturgegebenen Nanotechnologie, für dessen weitgehende Entschlüsselung Nobelpreise verliehen wurden.

Natürliche Nanotechnologie ist allgegenwärtig. In den Zellen des menschlichen Körpers arbeiten bis zu hunderttausend Nanomaschinchen - pro Zelle - pausenlos ordinäre Materie, wie sie in jedem Pausenbrot zu finden ist, in Strukturen für Muskeln, Hirnschmalz oder Fingernägel um. Ribosomen heißen diese 15 bis 25 nm messenden Konstrukte, die von Abschnitten der Erbsubstanz DNA, einem Nano-Speicherband, instruiert werden. Im Körper der Durchschnittsleserin bzw. des Durchschnittslesers sind in diesem Moment vielleicht 1 000 000 000 000 000 Ribosomen aktiv. Nanotechnologie funktioniert also. Biologen wie Ada Yonath vom DESY (Deutsches Elektronen-Synchrotron) bei Hamburg haben die Struktur der "Nanomaschine Ribosom" mittlerweile so genau rekonstruiert, dass sie für unerwünschte Bakterien molekulare Pfropfen entwerfen können, die deren Ribosomen blockieren - nanotechnologische Medikamente gewissermaßen.[3]

Die Idee von menschengemachter, selbstvermehrungsfähiger Nanotechnologie nach dem Vorbild der Natur, deren Urheberschaft heute vornehmlich amerikanische Visionäre für sich beanspruchen, ist nach menschlichen Maßstäben so neu nicht. In den siebziger Jahren des letzten Jahrhunderts schon ließ der polnische Technologiephilosoph Stanis|law Lem seinen Piloten Ijon Tichy die Segnungen dieser Technologie erfahren. Tichy wird in den "Sterntagebüchern" mit einem Nano-Keimling bewirtet: "Der Keimling, mit einigen Löffeln Wasser übergossen, schwoll an und verflachte, so dass ich nach einer Weile eine köstlich gebräunte Kalbsscheibe vor mir hatte." Tichy weiß auch, dass selbst nichtorganische Gegenstände aus nanotechnologischen Keimlingen sprießen können: "Man beträufelt sie mit einer Handvoll Wasser, und im Nu wächst das erforderliche Objekt daraus hervor. Um die Frage, woher ein solcher Keimling die Kenntnisse und die Energie für eine Radio- oder Schrankgenese nimmt, braucht man sich ebenso wenig zu kümmern, wie wir uns nicht dafür interessieren, woher ein Unkrautsamenkorn die Kraft und das Wissen nimmt, aufzugehen."

Das exakt ist das Feld der starken, der "Bottom-Up"-Nanotechnologie, auf dem Futurologen, Romanciers und Warner wie K. Eric Drexler, Ed Regis oder Michael Crichton derzeit schöne Erfolge erzielen, wo sich "Nanobots" tummeln, Grey Goo das Publikum schaudern lässt und Dora Kent auf Wiederauferstehung hoffen würde, wäre sie nicht tot.[4] Wir werden darauf selbstverständlich zurückkommen, wenden uns zunächst aber Dingen zu, die auch das Finanzamt interessieren könnten.

Nanotechnologie "Top-Down"

Nanoelektronik

Als "Top-Down" wird diejenige Nanotechnologie-Variante bezeichnet, die mit Großgeräten kleinste, nanoskalige Strukturen schafft, manipuliert oder entschlüsselt.[5] Besonders augenfällig ist die Mikroelektronik, die sich gerade zur Nanoelektronik wandelt, denn in modernen Computerchips gibt es bereits Strukturen von nur mehr 130 Nanometern Breite. In solchen Strukturen liegen gerade einmal 550 Siliziumatome nebeneinander, eine überschaubare Zahl; neun Mal noch könnte diese Zahl durch zwei geteilt werden, dann wären die Strukturen nur mehr ein Atom breit, und weniger ist prinzipiell nicht möglich. Das Moore'sche Gesetz von der wundersamen Transistorvermehrung auf einem Chip besagt, dass sich die Anzahl aller Transistoren alle 18 Monate verdoppelt. Müssten die Strukturen im gleichen Takt schrumpfen, gäbe es nur noch dreizehneinhalb Jahre lang Fortschritt.

Strukturbreiten von einem Atom sind natürlich unrealistisch, und es wird lange vor diesem Limit andere Schwierigkeiten geben, etwa bei der Verbindung der einzelnen Transistoren auf einem Chip miteinander, ihrer Verdrahtung, dem "wiring". Wenn die Chipstrukturen nanometerfeine Dimensionen annehmen, beginnen überdies "Tunnelströme" zu fließen, die sich als Leckstrom äußern, die Leistungsaufnahme des Chips erhöhen und auch sonst zu Störungen führen können. In der Nanowelt beginnt die Wellennatur der Elektronen bedeutsam zu werden, was neue Herausforderungen für das Chipdesign mit sich bringt (vgl. Abbildung 1: s. PDF-Version). Die Nanoelektronik steuert also auf eine prinzipielle Mauer zu.

Das muss nicht bedeuten, dass sich die bisherige Leistungssteigerungsrate schnell verlangsamt, denn die Entwickler finden immer neue Tricks. Bei winzigen Dimensionen etwa wird nicht nur die Verdrahtung auf einem Chip kritisch, auch die Einstellung der elektronischen Eigenschaften der Halbleiter durch das Einbringen von Fremdatomen, die Dotierung, stößt auf prinzipielle Schwierigkeiten. So kann die Verteilung der Dotierungsatome, die prozentual nur in sehr kleinen Mengen eingebracht werden, in winzigen Arealen nicht mehr gleichmäßig sein. Es ist wie beim Rosinenbrot: Während man sicher sein kann, dass der ganze Laib Rosinen enthält, ist die Präsenz einer Rosine umso ungewisser, je dünner die Brotscheiben werden. In winzigen Arealen lässt sich die Dotierung jetzt kunstvoll durch elektrische Felder ersetzen. Die Halbleiterspezialisten an der RWTH Aachen um Heinrich Kurtz realisieren sauber schaltende, praxistaugliche Transistoren mit Abmessungen von nur mehr zehn Nanometern - eine Länge von gerade mal 43 aneinander gereihten Siliziumatomen.

Die Prognosen werden auch dadurch kompliziert, dass den Entwicklern immer wieder neue Effekte zu Gebote stehen. So nutzt die bisherige Halbleiterelektronik nur die elektrische Ladung des Elektrons. Elektronen haben aber noch eine andere Eigenschaft, den so genannten Spin, der sich als Drehung des Elektrons deuten lässt, die sich als winziges Magnetfeld äußert. Erst 1999 wurde entdeckt, dass in Halbleitern spinpolarisierte Ströme erzeugt werden können, Flüsse von Elektronen mit einstellbarer Spinausrichtung.

Damit erschließt sich der Nanoelektronik ein neues weites Feld, das sogar in die Optik hinein reicht, ein Gebiet von Gernot Güntherodt vom Physikalischen Institut der RWTH Aachen. Güntherodt sieht die Chance, mit einstellbaren Spins in einem magnetischen Halbleiter eine ganz neue Elektronik aufzubauen, die überdies sehr schnell zu werden verspricht: Während bei der herkömmlichen Elektronik die Elektronen ein Stück Weg zurücklegen müssen - es fließt ja ein Strom -, müssten sich die Speicherelektronen einer Spintronic für einen bit-Zustandswechsel gleichsam nur im Bett wälzen, jetzt links statt rechts herum oder umgekehrt. Als erstes Produkt wird ein magnetischer Schreib-/Lesespeicher erwartet, ein RAM (random access memory), mit geringem Strombedarf, nicht-flüchtig, ein Speicher, der seine Information also nicht verliert, wenn er abgeschaltet wird: nützlich etwa für Notebooks, die blitzschnell wieder anspringen.[6] Die realisierten Spintransistoren allerdings könnten, anders als elektronische Transistoren, nur als Schalter dienen, nicht als Verstärker - was für digitale Schaltungen in der Regel aber auch nicht notwendig ist.

Nano-Schichten für eine leuchtende Zukunft

Eine andere Nanotechnologie erregt weniger Aufsehen, obwohl sie sogar im Wortsinne brillant ist: die Kunst, nanometerdünne Schichten ausgesuchter chemischer Elemente und Verbindungen übereinander zu legen. Ohne diese Technologie gäbe es keine Leuchtdioden, die mittlerweile auch in der Farbe Weiß brillieren, es gäbe keine DVD- oder CD-Spieler und -Brenner, weil die Halbleiterlaser fehlen würden, und es gäbe keine Hochfrequenzkommunikation via Handy oder WLAN (Wireless Local Area Network), denn die schnellen Schwingungen sind nur mit Verbindungshalbleitern möglich.

Dabei handelt es sich um Halbleiter, die nicht nur aus einer Atomsorte zusammengesetzt sind wie Silizium, sondern aus mehreren wie Gallium-Arsenid oder Indium-Phosphid. Die heute interessantesten Elemente wie Gallium und Indium sind teils eher "niedriger" Abkunft: Gallium wird unter anderem aus der Flugasche von Kohlekraftwerken gewonnen, Indium steckt in der Flugasche von speziellen Kupferhütten. Als hoch reine Elemente sind Gallium und Indium heute tragende Säulen einer Milliardenindustrie.

Ob die Synthese eines einzelnen Halbleitersystems gelingt oder nicht, kann heute ganze Industrien und sogar Volkswirtschaften beeinflussen, wie die Geschichte des blauen Halbleiterlasers zeigt. Jahrelang war nur ein japanisches Unternehmen in der Lage, Kleinserien von Laserdioden mit blauem Licht aufzulegen. Jetzt endlich steht der blaue Diodenlaser vor der Massenfertigung. Das Halbleitermaterial für blaue Diodenlaser ist Galliumnitrid, also Gallium mit Stickstoff. Durch die atomgenaue Schichtung beider Elemente lässt sich eine Wertsteigerung erzielen, an der gemessen der Traum der Alchemisten vom künstlichen Gold eine Alberei war. Denn mit einem blauen Halbleiterlaser werden ganze Industriezweige neu definiert. Bezahlbares Laserfernsehen wird möglich, die optische Datenübertragung erneut beschleunigt, auch sind optische Speicher höchster Dichte realisierbar. Der "Blue-ray-disc"-Standard, auf den sich neun führende Unternehmen der Unterhaltungselektronik 2002 verständigt haben, sieht für eine modifizierte DVD ein Datenvolumen von erst einmal dem Fünffachen einer herkömmlichen DVD vor, möglich durch die kürzere Wellenlänge und damit bessere Fokussierbarkeit blau-violetten Lichts.

In der Dünnschicht-"Szene" sind immer wieder Überraschungen zu erwarten. Wer auf eine einen Nanometer messende Schicht von Wismut-Tellurid eine Schicht von fünf Nanometern Antimon-Tellurid legt und diesen Prozess oft genug wiederholt, erhält einen Halbleiter mit exotischen Eigenschaften: Von Strom durchflossen, wird die eine Seite der Schichtenfolge heiß, die andere bleibt kalt. Dieser thermoelektrische Effekt kann etwa zum punktgenauen Kühlen von Chips genutzt werden oder winzige Bioreaktoren betreiben, die durch schnelle Temperaturwechsel DNA vermehren. Wer umgekehrt über billige Wärmequellen wie Erdwärme verfügt, kann mit solchen thermoelektrischen Schichten preiswert Strom produzieren. Verbindungshalbleiter aus Indium-Gallium-Nitrid, InGaN, könnten bald Solarzellen liefern, deren Wirkungsgrad um 50 bis 70 Prozent erhöht ist.[7]

Nanopartikel

Die dritte "Top-Down"-Nanotechnologie-Variante, mit der jetzt schon richtig Geld verdient wird, ist die Nanopartikel-Technologie. Winzige Volumina haben relativ gesehen eine sehr große Oberfläche, die sich mit allerlei Beschichtungen versehen lässt, so dass sich die Eigenschaften zweier Materialien kombinieren lassen. Nanopartikel können überdies Eigenschaften entwickeln, die das Material in gröberen Portionen nicht besitzt; nanoskalige Goldkolloide etwa werden bunt und können so dauerhaft Gläser färben.

Nanopartikel sind so klein, dass sie das Licht nicht streuen, deshalb auch ist die Nase des Strandwächters von heute nicht mehr weiß: Das schützende Titanoxidpulver in der Sonnenschutzcreme, früher weiß, weil mikroskalig, ist heute nanoskalig und damit unsichtbar, ebenso wie die Nanopartikelbeschichtung, die Plastikbrillen kratzfester macht.

Röntgenlaser für die Molekül-Strukturanalyse

Die spektakulärste "Top-Down"-Nanotechnologie wird derzeit vom DESY bei Hamburg vorangetrieben; sie ist kilometerlang und wiegt Tausende Tonnen, die unter anderem - in übertragenem Sinne - auf einzelne Moleküle geworfen werden sollen: Mit einem Schuss des Röntgenlasers TESLA X-FEL und etwas Glück wird sich demnächst die Struktur eines einzelnen Biomoleküls enthüllen lassen. Mit einer Serie von Röntgenblitzen sind sogar Details chemischer Reaktionen zugänglich.

Mit TESLA X-FEL wird man dem sub-nanoskaligen Inneren raffiniert gebauter Materie mit bislang ungekanntem Tempo zu Leibe rücken können. Was dagegen Oberflächen angeht, so hat das von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer entwickelte Rastertunnelmikroskop höchsten Ruhm verdient - und bekommen. Heute hat die mit einem Nobelpreis gekrönte Erfindung ganze Familien von Mikroskopen für den Nanokosmos gezeugt und so die Nano-Aufregung erst losgetreten.[8]

Millipede

Eine besonders bemerkenswerte Rastersondenvariante heißt Millipede: Tausendfüßler. Während in einer konventionellen Rastersonde üblicherweise nur eine Spitze aktiv ist, arbeitet in der neuesten Version des "Millipede"-Projektes von IBM ein Feld von 4000 Spitzen zugleich (vgl. Abbildung 2: s. PDF-Version). Die Spitzen sind einzeln elektrisch bis auf 400 Grad beheizbar, sie sind an 70 µm (Mikrometer) langen und 0,5 µm breiten Balken befestigt, die sich individuell absenken lassen. Wenn das in der Millipede von IBM geschieht, drücken die beheizten Spitzen auf eine hauchdünne Plastikfolie und schmelzen ein winziges, 10nm breites Loch hinein; es entsteht ein Informationsfeld aus Nano-Dellen. Schwächer beheizte Spitzen lassen die Plastikfolie unbehelligt, können anhand ihres Wärmeverlustes aber fühlen, ob sie in eine Delle eingetaucht sind. Mit Wärme also lassen sich Informationen lesen und schreiben, sogar wieder löschen. Es ist verblüffend, welche Speicherdichten dieses krude anmutende Verfahren hervorbringt. Im Experiment belegt sind 20 Gigabyte pro Quadratzentimeter. Beim Schreiben und Lesen wird das gesamte Spitzenfeld von einer Elektromechanik ähnlich der in einem CD-Spieler über eine gerade mal 7mm2 große Folie gefahren. Die Datentransferrate soll auch anspruchsvolle Anwendungen wie Video zulassen. Auf die Fläche einer Briefmarke würde so der Informationsinhalt von 25 DVDs passen.

Mikro-/Nano-Mechanik dieser Art, versichern die Entwickler, sei trotz der winzigen Strukturen sehr robust, schließlich seien diese auch nur sehr kleinen Kräften ausgesetzt. Millipede ist nicht nur für die Datenspeicherung interessant, die einzeln ansteuerbaren Ärmchen könnten auch mikroskopische Objekte vermessen, manipulieren, zwicken, etwa auf dem lab-on-a-chip, einem der ehrgeizigsten Ziele der Nanotechnologie.

Nanotechnologie "Bottom-Up"

Ein Walfisch wird "bottom up" hergestellt: Eine winzige Spermatozoe verbindet sich mit einem winzigen Ei und wächst, durch die Arbeit einiger Phantastilliarden Nanomaschinen und den tonnenweisen Verzehr von Krill aus dem Mikrokosmos zu einem schiffsschweren, komplizierten, makrokosmischen Gebilde heran. Ähnlich möchten manche Nano-Visionäre auch industrielle Güter reifen sehen, eben "bottom up".

Das wird nicht einfach. Wenn ein Mann und eine Frau sich einfach so verlieben, sagt man, zwischen ihnen stimme die Chemie. Das, sagt wiederum Richard Smalley, Chemienobelpreisträger des Jahres 1996, sei eine recht gute Verwendung des Begriffs Chemie, denn das Zusammenfinden zweier Atome oder Moleküle in einer chemischen Bindung sei ebenfalls ein recht komplexer Tanz in drei Dimensionen. Und es fänden keineswegs alle Arten von Molekülen zueinander. Das allein mache die Vorstellung eines Nanobots, eines nanoskaligen Roboters, eines Assemblers nach dem Muster K. Eric Drexlers, der nahezu beliebige Materie zu seinesgleichen formen kann, unwahrscheinlich. Dann aber, und vor allem: Wenn ein solcher Assembler Materie Atom für Atom zusammenfüge, müsse er das mit "Fingern" machen, die ihrerseits aus Atomen bestehen und notwendigerweise eine gewisse Mindestdicke hätten. Und es wäre nicht nur das erwählte Atom zu greifen, beim "Assemblieren" wären alle Atome eines Kubiknanometers zu kontrollieren, und da kämen sich die Finger zwangsläufig ins Gehege; soweit das "Fette-Finger-Problem". Hinzu käme das "Klebrige-Finger-Problem": Die gegriffenen Atome würden sich, sortenabhängig, nicht beliebig greifen und wieder abstreifen lassen, sie würden eben Bindungen eingehen - ein aus dem Alltag bekanntes Phänomen. Es ist nicht so einfach, ein klebriges Kügelchen wieder vom Finger zu bekommen. Und das seien prinzipielle Einwände, an denen kein Weg vorbei führt; mit mechanischen Nanobots also könne es nichts werden.[9] So ist die Furcht, dass sich Heere von Nanomaschinen über die Welt hermachen könnten, um sie in Gray Goo, grauen Schmer zu verwandeln, unbegründet, ebenso die Hoffnung, mit Assemblern ließen sich beliebige Gegenstände in Massen produzieren.

K. Eric Drexler hatte in "Engines of Creation" ein langes Kapitel eingeschlossen, "A Door to the Future", in dem die Konstruktion von winzigen Zellreparaturmaschinen in Aussicht gestellt wird, die auch in der Lage sein sollten, Frostschäden zu beheben. Frostschäden entstehen, wenn ein Gewebe so langsam gefrostet wird, dass während des Abkühlens Eiskristalle entstehen, die das empfindliche Innere einer Zelle - die Mikrotubuli, um nur eine Struktur zu nennen - während ihres Wachstums zerreißen und also zerstören. Kein Problem für Assembler in der Gestalt nanoskopischer Zellreparaturmaschinen: Diese sollten in derLage sein, Zelle für Zelle die ursprüngliche Ordnung wiederherzustellen. Dieses Versprechen brachte Drexler in die bedenkliche Nähe zu Unternehmen, die mittels Stickstoff-Frostung ganze Menschen nach ihrem Ableben konservieren, mit der als begründet dargestellten Aussicht, fortgeschrittene Techniken der Zukunft könnten eine Rekonstruktion bewerkstelligen. Da begab es sich, so Ed Regis in "Great Mambo Chicken and the Transhuman Condition", dass im Dezember 1987 Dora Kent, 83 Jahre alt, im Sterben lag. Ihr liebender Sohn verfrachtete sie zur Alcor Life Extension Foundation in Riverside, Kalifornien, einem Unternehmen, das sich auf die Stickstoffkonservierung Verstorbener spezialisiert hat. Dora Kents Kopf wurde, kaum schien sie verschieden, abgetrennt und eingefroren. Dann wurde die Sache kompliziert, weil nicht ganz geklärt war, in welcher Phase des Dahindämmerns Dora Kent kopflos wurde. Drexler wurde um ein Gutachten gebeten, was die Aussicht auf Wiederbelebung angeht. Mit einem Heer von virtuellen Zellreparaturmaschinen im Rücken konnte er nicht anders als positiv urteilen. Nanoroboter in Zellgröße, also im Mikrometermaßstab, gelten durchaus als seriöser Forschungsgegenstand.

Das gilt auch für die supramolekulare Chemie. Ein Molekül ist ein stabiler Verbund von Atomen. Ein Supramolekül ist ein stabiler Verbund von Molekülen. Die supramolekulare Chemie hat in den letzten Jahren molekulare Konstrukte schaffen können, die schon sehr an Maschinenteile für den Nanokosmos erinnern. Die Chemiker sprechen von "Funktionsmolekülen": Replikatoren, Lichtsammler, molekulare Pinzetten etc. Synthetische Ionenkanäle können an Bakterienzellen andocken, deren Elektrolythaushalt stören und so antibiotisch wirken. Nach molekularen Motoren wird bereits geforscht. Fritz Vögtle und Mitarbeiter arbeiten am Kekulé-Institut in Bonn an Behältermolekülen, die auf ein Lichtsignal hin ihren Inhalt freigeben - die supramolekulare Chemie kommt den Visionen der "Bottom Up"-Nanonauten noch am nächsten.[10]

"Up-Top-Bottom-Down": Viren für Quantencomputer

Die Nanotechnologie bezieht einen Großteil ihres Reizes aus dem Umstand, dass sie sich nicht auf eine Disziplin beschränken lässt, denn Nanostrukturen treten überall auf. Folgerichtig arbeiten in Sachen Nano Wissenschaftler ganz unterschiedlicher Herkunft zusammen: Biologen, Chemiker, Physiker, Computerspezialisten. Natürlich ist die "Top-Down"- und "Bottom-Up"-Einteilung nicht streng durchzuhalten. Ein wichtiges Ziel der Nanotechnologen ist das Arrangement von Nanopartikeln in einem regelmäßigen Gitter, ähnlich den Atomen in einem Kristall, nur dass statt Atomen Nanopartikel, Ensembles von Atomen, gitterartig angeordnet sind. Dann nämlich darf man auf exotische Eigenschaften hoffen, die für Optik und Elektronik interessant sind, auch für den Quantencomputer der Zukunft. Opal etwa besteht aus Siliziumoxid-Kügelchen, also aus der gleichen Substanz, die Quarzsand ausmacht; weil aber die Abstände von Kugel zu Kugel im Bereich der Wellenlänge sichtbaren Lichtes liegen, gibt es Lichtinterferenzen, und das eigentlich ordinäre Material wird verlockend bunt.

Angela Belcher vom Massachusetts Institute of Technology stellt solche Arrangements etwa so her: Man nehme eine Milliarde Viren, die bis auf ein variables Proteinanhängsel identisch sind, und setze diese einem Selektionsprozess aus. Gesucht sind solche Viren, deren Proteinanhängsel für ein bestimmtes Material, etwa Zinksulfid, eine Art Keim darstellt, an dem sich bereitwillig Kriställchen bilden. Viren mit den gewünschten Eigenschaften dürfen sich in Gast-Bakterien ordentlich vermehren und lassen in einer entsprechenden Lösung dann massenhaft Zinksulfid-Kriställchen wachsen. Jetzt können die Viren, alle mit einem Halbleiter-Nanopartikel am Kopf, von Selbstordnungskräften geleitet, ihrerseits zu einem Kristall zusammentreten, in diesem Fall zu einem Flüssigkristall, zu einem dünnen Film aus wohlgeordneten Halbleiterpartikeln, die alle einen bestimmten Abstand zueinander haben. Das Verfahren funktioniert mittlerweile für viele Substanzen. Diese Art Nanotechnologie beansprucht Physik, Chemie, Biologie, Evolutionstheorie und mehr und steht beispielhaft für die Dinge, die da kommen mögen.[11]

Augen für den Nanokosmos

Wenn mikroskopisch kleines Leben abzubilden ist, bietet Licht den großen Vorteil, dass es meist milde mit seinem Abbildungsgegenstand umgeht, die Vorgänge etwa in einer Zelle durch Licht nicht gestört werden müssen. Zwar gibt es mittlerweile auch spezielle Rasterelektronenmikroskope, so genannte ESEMs, die dort, wo der Abbildungsgegenstand liegt, etwas Luft und Feuchtigkeit zum Leben übrig lassen. Anders als Licht aber bleiben die Elektronenstrahlen an der Oberfläche.

Leider nur ist Licht eine prinzipielle Grenze gesetzt, die Beugungsgrenze, die unterhalb einer halben Lichtwellenlänge - bei sichtbarem Licht etwa 250 Nanometer - scharfe Abbildungen unmöglich macht. So jedenfalls schien es, jetzt freilich werden mehr und mehr Tricks bekannt, diese Grenze zu umgehen. Ein fast schon klassisches Verfahren, Abbildungen unter der Lichtbeugungsgrenze zu bekommen, besteht darin, eine Glasfaser sehr fein auszuziehen, zu brechen und die Spitze so mit einer lichtundurchlässigen Metallhülle zu bedampfen, dass nur mehr eine Öffnung mit einem Durchmesser weit unter der Lichtbeugungsgrenze bleibt. Dann kann man diese winzige Lichtlanze mit einem Rastersondenmikroskop über das Objekt fahren und das gestreute Licht registrieren. Schon damit lässt sich Wundersames beobachten. Leider nur lässt eine nanooptische Lichtfaser nur noch wenig Licht durch, je feiner die Glasfaserspitze ist, desto weniger, es wird ziemlich schnell dunkel.

Hilfe ist den Nano-Optikern von unerwarteter Seite gekommen. Die Elektronen an der Oberfläche eines Metalls lassen sich unter günstigen Bedingungen von Licht zu kollektiven Schwingungen anregen, zu so genannten Plasmonen. Wenn die wieder zerfallen, wird deren Energie in Licht zurückverwandelt. Das Potential des Zusammenspiels von Plasmonen und Licht wurde erst vor 14Jahren so recht deutlich, als Thomas Ebbesen, heute an der Louis Pasteur Universität in Straßburg, eine Goldfolie mit 100 Millionen Löchern von je 300nm Durchmesser anfertigen ließ und die Lichtdurchlässigkeit der Folie bestimmte. Die Theorie hätte verlangt, dass Löcher dieser Größe nur mehr 0,01 Prozent des eintreffenden sichtbaren Lichtes passieren lassen; stattdessen, fand Ebbesen, waren es mehr als hundert Prozent. Die Lösung: Das eintreffende Licht hatte die Elektronen an der Gesamtoberfläche der Folie zu Plasmonenschwingungen angeregt, die an den Lochmündungen der abgewandten Folienseite wieder zu Licht zerfielen. Heute graben Ebbesen und seine Kollegen immer neue Strukturen in Gold und Silber - Gitter, konzentrische Kreise - und beobachten immer neue Effekte, die dem Nanokosmos nun auch das Licht erschließen sollten.

Am Nanozentrum der Universität Münster nutzen Harald Fuchs und seine Mitarbeiter den Effekt für "Streusonden", Nano-Lichtquellen, bei denen Plasmonen an Nanoteilchen zerfallen und so Lichtquellen weit unter der Beugungsgrenze des Lichtes bilden, die dann von einer Rastersonde über den Gegenstand des Interesses bewegt werden. Ein ehrgeiziges Ziel ist die ortsaufgelöste Spektroskopie an großen Molekülen, die der Biologie und Kunststoffchemie ganz neue Welten erschlösse.

Plasmonen verhelfen nicht nur Rastersonden zu mehr Licht; zu kollektiven Elektronenschwingungen angeregte Ketten von Nanopartikel werden derzeit für die Ankopplung von Lichtsignalen an Computerchips erforscht. Es gibt sogar Spekulationen über eine perfekte "Plasmonenlinse" für den Mikrokosmos. Unabhängig vom Ausgang dieser Spekulationen scheint sicher: Die Optik ist noch lange nicht am Ende.[12]

Das Institut auf dem Chip

Wer in den siebziger Jahren studiert hat, durfte noch Rechenzentren in Anspruch nehmen, in denen die Programme auf durchlöcherten Pappkarten gespeichert waren. Die Leistungsfähigkeit der Rechenzentren von damals wird heute von jedem Notebook in den Schatten gestellt; in heutigen höchstintegrierten Schaltungen abgelegt, würde ein Rechenzentrum alter Art auf eine Briefmarke passen.

Eine ähnliche Schrumpfung schwebt den Nanotechnologen jetzt auch für molekularbiologische Einrichtungen vor: ein lab on a chip. Auf dem, sagt Michael Roukes vom California Institute of Technology, der die Sache zusammen mit vielen anderen vorantreibt, würden sich Millionen von Nanogerätschaften tummeln, die für ihre Aufgabe koordiniert zusammenarbeiten. Die Chips wären Quadratzentimeter groß (vgl. Abbildung 3: s. PDF-Version), riesig also im Vergleich zu den auf ihnen ruhenden Nanomaschinchen, was daran läge, dass Flüssigkeiten in ihnen kreisen müssten, und die ganzen makroskopischen Verbindungen brauchten eben Platz. Außerdem wird Wasser im Nanokosmos zäh wie Honig.

Labs on a chip, da ist sich Michael Roukes sicher, werden die Biologie revolutionieren. Heute müsse man (im Wesentlichen) Milliarden von Zellen pürieren, um an die interessierenden Proteine heranzukommen, dadurch gingen natürlich zahlreiche Zusammenhänge verloren, die Zellen hätten schließlich alle gerade etwas Verschiedenes gemacht. Künftig könne man mit dem Nano-Lab an einzelnen Zellen Schritt für Schritt verfolgen, was gerade vor sich geht und so eine Art Video rekonstruieren, ein Video des Lebens. Und man würde sich nicht damit begnügen, die Zelle zu beobachten, man würde sie zwicken, sehen, wie siereagiert, und so die Rätsel des Lebens entschlüsseln.

Projekte wie diese, deren Erfolg keineswegs garantiert ist, könnten das größte Plus für die Nanotechnologie werden - oder auch ein großes Minus, wenn dadurch die Fähigkeit allgemein verbreitet würde, widrige Keime in Umlauf zu setzen. Andererseits macht die Natur so etwas ganz von allein, die Lungenkrankheit SARS war nur ein Vorspiel.

Fußnoten

1.
Stanislaw Lem, Sterntagebücher, Frankfurt/M. 1973.
2.
Vgl. Mathias Schulenburg, Nanotechnologie - die letzte industrielle Revolution?, Frankfurt/M. 1995; ders., Nanotechnologie - Innovationsschub aus dem Nanokosmos, VDI-Technologiezentrum 1998; Michael Groß, Expeditionen in den Nanokosmos, Basel 1995.
3.
Vgl. Mathias Schulenburg, Die Gläserne Zelle, Ms., Deutschlandfunk, Köln 2002; ders., Kristallographie in Deutschland, Ms., Deutschlandfunk, Köln 2002.
4.
Vgl. K. Eric Drexler, Engines of Creation, New York 1986; Ed Regis, Great Mambo Chicken and the Transhuman Condition, London 1990; ders., Nano, New York 1995; Michael Crichton, Beute, München 2002.
5.
Vgl. Förderkonzept Nanoelektronik, Bundesministerium für Bildung und Forschung, Bonn 2002.
6.
Vgl. Mathias Schulenburg, Nanoelektronik, Ms., Deutschlandfunk, Köln 2003.
7.
Vgl. ebd.
8.
Vgl. Highlights der Physik, Zukunftsmaschinen, Broschüre der Deutschen Physikalischen Gesellschaft (DPG), Bad Honnef 2003.
9.
Vgl. http://www.ruf.rice.edu/~smalleyg/rick's%20 publications/SA285-76.pdf.
10.
Vgl. Nachrichten aus der Chemie Nr. 50, März 2002, S. 302ff; www.gdch.de.
11.
Vgl. Mathias Schulenburg, Biomineralisation, Ms., Deutschlandfunk, Köln 2003.
12.
Vgl. Mathias Schulenburg, Nanooptik, Ms., Deutschlandfunk, Köln 2003.

Mathias Schulenburg

Zur Person

Mathias Schulenburg

Dr. rer. nat., geb. 1945; Promotion über Röntgenfeinstrukturanalyse; freier Wissenschaftsjournalist .
Anschrift: Im Bergerhof 12, 50999 Köln.
E-Mail: MathiasSchulenburg@web.de.

Veröffentlichungen u.a.: Nanotechnologie - die letzte industrielle Revolution?, Frankfurt/M. 1995; Förderkonzept Nanoelektronik, BMBF, Bonn 2002; zahlreiche Hörfunk- und Fernsehbeiträge für die ARD und den DLF.


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