Nanotechnologie: Manipulation von Materie im atomaren Maßstab

Nanotechnologie: Manipulation von Materie im atomaren Maßstab

 

Einsparung von Raum, Energie, Material und Kosten sind die Triebfedern aller Bemühungen, technische Funktionsgruppen zu verkleinern. Will man die Mikrotechnik, die Bauelemente mit Dimensionen zwischen einem Tausendstel Millimeter (einem Mikrometer, μ) und einem Zehntel Millimeter mit Mikrometerpräzision hervorbringt, noch weiter treiben, dann betritt man den Bereich der Nanometerdimensionen.

 

Ein Nanometer (nm) ist der millionste Teil eines Millimeters. Das entspricht etwa dem Verhältnis der Länge eines Lastzuges zum Erddurchmesser. Die Wellenlänge von Röntgenstrahlen bewegt sich im Bereich von Nanometern, während sichtbares Licht Wellenlängen von einigen Hundert Nanometern aufweist. Auch die Abmessungen von Molekülen lassen sich gut in Nanometern beschreiben, z. B. ist der Durchmesser eines DNA-Doppelstranges etwa 3 nm breit.

 

 Physikalische Grenzen

 

Den Methoden der Mikrostrukturierung, wie etwa der Lithographie, sind allerdings physikalische Grenzen gesetzt. So misst die kleinste Strukturbreite in einem Pentiumprozessor immer noch 0,35 mm. Das lithographische Auflösungsvermögen ist durch die verwendete Wellenlänge bestimmt. Excimerlaser, die UV-Pulse von 193 nm Wellenlänge abgeben, können noch eine Verbesserung bringen, ebenso der Einsatz von Röntgenstrahlen anstelle von UV-Licht. Für Röntgenstrahlen genügend guter Parallelität und Intensität braucht man aber aufwendige Elektronenbeschleuniger (Synchrotrons).

 

Zur Herstellung extrem dünner Schichten aus einer definierten Anzahl von Atomlagen existieren Verfahren wie die Molekularstrahlepitaxie, bei der Atome gesteuert Schicht für Schicht auf ein Substrat (Träger) abgelagert werden, dessen kristalline Struktur dabei die »Landeplätze« der aufgebrachten Atome vorbestimmt und für eine Anordnung in »Reih und Glied« sorgt. Bettet man die Teilchen in eine Matrix, so wird diese beeinflusst (z. B. bei Keramiknanoteilchen in einer Polymermatrix). Solche als Nanokomposite bezeichneten Verbundwerkstoffe haben im Vergleich zur nicht kompositierten Matrix eine wesentlich höhere Härte und sind z. B. bei einer transparenten Matrix weiterhin transparent.

 

Strukturen mit Abmessungen im Nanometerbereich erlauben es in vielen Fällen, quantenphysikalische Effekte zu nutzen, die sich in der »Makrowelt« gar nicht zeigen. So können durch wenige Atomlagen dicke Halbleiterschichten Elektronen in ganz spezifischer Weise eingefangen werden, was zur Verbesserung von optoelektronischen Bauelementen geführt hat.

 

 Rastertunnelmikroskop

 

Auch das Rastertunnelmikroskop beruht auf einem Quanteneffekt: Eine extrem spitze Nadel wird ganz nahe an eine Materialoberfläche herangebracht. Ist der Abstand zum äußersten Atom der Spitze nur noch wenige Nanometer groß, können Elektronen die eigentlich nicht leitende Lücke »durchtunneln«, und es fließt ein Strom. Durch Aufzeichnen der Stromstärke beim Abrastern einer Oberfläche ergibt sich also ihre Höhenstruktur, oft mit atomarer Auflösung. Derartige Rastersondentechniken sind bei der Strukturaufklärung von Oberflächen in der Forschung, aber auch bei der industriellen Qualitätskontrolle nicht mehr wegzudenken. Man kann mit diesen Sondenspitzen auch mit der untersuchten Oberfläche »Kontakt aufnehmen« und Strukturen eingravieren oder gar einzelne Atome auf der Oberfläche hin- und herschieben.

 

 Molekulare Technik

 

Die Verfahren der Lithographie, die Benutzung von gebündelten Strahlen oder von Sondennadeln sind aber nicht fein genug, um sehr komplexe Strukturen mit Nanometerpräzision aufzubauen. Einen ganz anderen Weg geht hier die Natur: Sie hat die lebenden Zellen mit Molekülen ausgestattet, welche andere, geeignete Moleküle erkennen können und diese zur Reaktion mit wieder anderen Molekülen bringen. Nach diesem Schlüssel-Schloss-Prinzip arbeiten vor allem Enzyme. Ziel der Nanotechnologie ist es deshalb, Nanoroboter herzustellen, die nach diesem Prinzip das gewünschte Produkt aus den molekularen Grundbausteinen aufbauen können. Diese Nanoroboter hat man sich als komplizierte Molekülanordnungen vorzustellen. Die Vision ist, mit ihrer Hilfe z. B. Nahrungsmittel ohne Umweg über die Landwirtschaft direkt zusammenzubauen, die in der Blutbahn eines Kranken eingedrungenen Viren zu bekämpfen oder in den Boden eingesickerte Schadstoffe unschädlich zu machen. Natürlich müssen solche »Assembler« (Zusammenbauer) vor allem eine grundsätzliche Eigenschaft mitbringen: Sie müssen sich selbst reproduzieren (wiederherstellen), damit ein ausreichender Stoffumsatz und damit z. B. eine effiziente Produktion stattfinden kann.