Nanowerkstoffe: Atomare Dimension — ungewöhnliche Eigenschaften

Nanowerkstoffe: Atomare Dimension — ungewöhnliche Eigenschaften

 

Die gängigen Materialien und Methoden dienen dazu, Werkstoffe in »handelsüblichen«, also makroskopischen Größen herzustellen: im Größenbereich von Zentimetern und Metern und mit Gewichten in Gramm, Kilogramm oder gar Tonnen. Neuartige Anwendungen erfordern jedoch immer öfter die direkte Manipulation und Herstellung von Werkstoffen auf atomarer Ebene, um ihre Eigenschaften in bisher nicht gekannter Präzision einstellen zu können. In diesem Bereich, der Ebene der Atome, deren Durchmesser in der Größenordnung von einem Zehntel Nanometer bis zu einem Nanometer (10^-10 bis 10^-9 Meter) liegen, sind die Nanowerkstoffe angesiedelt. Mit diesem Begriff bezeichnet man alle Werkstoffe oder Werkstoffkomponenten, deren charakteristische innere oder äußere Strukturen in Nanometern gemessen und deren Masse oft in atomaren Masseneinheiten (amu; ein amu = 1,66 × 10^-27 Kilogramm entspricht einem Zwölftel der Masse des Kohlenstoffisotops ¹²C) und nicht mehr in Gramm angegeben werden.

 

Heute sind Nanowerkstoffe noch vielfach Gegenstand der Grundlagenforschung. In den betrachteten Größenordnungen treten nämlich die meist gut bekannten makroskopischen Eigenschaften des Materials, aus dem ein bestimmter Nanowerkstoff gebildet wird, in den Hintergrund. Stattdessen bestimmen Quanteneffekte Verhalten und Eigenschaften der auf atomarer Ebene betrachteten Substanzen. Diese quantenmechanischen Effekte sind zwar theoretisch gut verstanden, ihre praktische Anwendung sorgt jedoch immer wieder für Überraschungen. Die technische Nutzung der gewonnenen Erkenntnisse ist Aufgabe der Nanotechnologie, die noch ganz am Anfang ihrer Entwicklung steht. Sie gilt als eine ausgesprochen zukunftsträchtige Technologie. Bereits heute deuten sich Anwendungen in der Bautechnik, der Biologie und Medizin sowie — was nicht verwundert — in der Computertechnik an. Die Nanotechnologie könnte ebenso tief greifende Auswirkungen auf das tägliche Leben haben wie die Elektrotechnik zu Anfang, die Elektronik in der Mitte sowie die Mikroelektronik und die Informationstechnik am Ende des 20. Jahrhunderts.

 

 Nanoporöse Werkstoffe

 

Es gibt bereits eine Reihe von Anwendungen der Nanotechnologie, die sich anschicken, die Laboratorien zu verlassen und zu Bestandteilen unseres täglichen Lebens zu werden. Eine recht weit entwickelte Gruppe von Nanomaterialien sind zum Beispiel die nanoporösen Werkstoffe, zu denen unter anderem die Aerogele zählen. Diese haben selbst zwar durchaus makroskopische Abmessungen, sind jedoch äußerst fein, eben im Nanomaßstab, strukturiert. Aber nicht nur deshalb zählt man sie zu den Nanowerkstoffen, sondern auch, weil bei ihrer Herstellung nanotechnologische Prozesse eine wichtige Rolle spielen.

 

Aerogele

 

Aerogele sind hoch poröse, im sichtbaren und vor allem im infraroten Spektralbereich transparente und federleichte Substanzen, die größtenteils aus Luft bestehen. Ihre Poren sind mit einigen Atomdurchmessern so eng, dass sie mit Recht zu den Nanomaterialien gezählt werden können. Entwickelt wurden sie bereits zu Beginn der 1930er-Jahre von dem amerikanischen Wissenschaftler Steven S. Kistler, der damals an der Stanford University in Kalifornien arbeitete. Er benutzte zunächst Natriumsilicat, besser bekannt als Wasserglas, eine gelartige Substanz. Diesem Gel entzog er unter hohem Druck und hoher Temperatur die gesamte Flüssigkeit, übrig blieb das Aerogel. In späteren Versuchen erweiterte er seine Ausgangsmaterialien auch auf Metalle wie Aluminium und Eisen, auf Polymere wie Gummi, aber auch auf biologische Substanzen wie Eiweiß und Gelatine. Dabei bemerkte er bald, dass Aerogele exzellente Wärmeisolatoren sind. Wie jeder Skifahrer weiß, hält im Winter ein lockerer Pullover wärmer als ein eng anliegender. Dies bewirkt das in einem lockeren Pullover eingeschlossene Luftpolster; Luft ist einer der besten Wärmeisolatoren, die es gibt. Ein ähnliches Verhalten zeigen auch Aerogele, denn die Wärmeleitung wird bei ihnen im Wesentlichen von der Luft in den Poren verursacht.

 

Kistlers Herstellungsverfahren war noch sehr komplex: Er vermischte das Wasserglas zunächst mit Salzsäure, wodurch es geliert. Nachdem er die Säure mit viel Wasser ausgewaschen hatte, versetzte er den Stoff mit Alkohol, den er allmählich verdunsten ließ. Dabei treten, ähnlich wie bei einer benetzenden Flüssigkeit in einem engen Glasröhrchen, starke Oberflächenkräfte auf, die ins Innere des Aerogelkörpers gerichtet sind. Ohne gegensteuernde Maßnahmen würde das Aerogel — ähnlich wie eine Qualle in der Sonne — allmählich zusammenschrumpfen. Um diese fortlaufende Zerstörung der Aerogelstruktur zu verhindern, setzte Kistler das Aerogel hohem Druck und hoher Temperatur aus. Er machte sich dabei zunutze, dass bei Überschreiten einer bestimmten kritischen Grenze bei allen Stoffen der Unterschied zwischen Flüssigkeit und Gas verschwindet. Es gibt daher innerhalb des Druckbehälters keine Grenzflächen mehr, also auch keine Oberflächenspannungen, die das Aerogel kontrahieren. Moderne Herstellungsverfahren umgehen diesen mühsamen Weg und bauen das Aerogel direkt auf chemischem Weg auf. Man verwendet dazu Tetramethoxisilan, das man mit einer genau abgemessenen Menge an Wasser vermischt. Durch Zugabe eines Katalysators in Form einer Säure oder einer Base spaltet sich das Tetramethoxisilan in Kieselsäure und Methanol auf. Die Kieselsäuremoleküle vernetzen miteinander und bilden dabei kleine, als Cluster bezeichnete Aggregate. Diese lagern sich zu größeren Strukturen zusammen, wachsen weiter und bilden so allmählich unter ständiger Freisetzung von Wasser das Aerogel. Dieser als Sol-Gel-Verfahren bezeichnete Arbeitsprozess spielt auch bei anderen nanotechnischen Anwendungen eine wichtige Rolle. Die Eigenschaften des Aerogels werden dabei durch die Konzentration der Säure und die Temperatur mitbestimmt, sodass die Eigenschaften des Endprodukts gezielt gesteuert werden können.

 

Eine der ersten praktischen Anwendungen von Aerogelen fand sich in der Elementarteilchenphysik. Dort dienen sie in speziellen Detektoren zum Nachweis der Tscherenkow-Strahlung; so bezeichnet man die elektromagnetische Strahlung, die von hoch energetischen Partikeln ausgesandt wird, wenn sie sich in einem Medium schneller bewegen als das Licht. Andere, erst geplante Anwendungen beruhen auf den wärmedämmenden Eigenschaften der Aerogele. Da sie sehr leicht und weitgehend lichtdurchlässig sind und dazu sehr viel besser Wärme zurückhalten als mit Argon gefüllte Doppelfenster, produziert man bereits Doppelglasscheiben, zwischen denen sich ein Aerogel befindet. Das Aerogel ruft allerdings einen gewissen Milchglaseffekt hervor, daher wirken die Scheiben opak.

 

Auch für Hausdämmungen werden Aerogele bereits probeweise eingesetzt. Licht- und Wärmestrahlung von außen können durch eine Aerogelschicht hindurchtreten und die Hauswand erwärmen. Für die von der Wand emittierte, längerwellige Wärmestrahlung ist die Aerogelschicht aber weniger durchlässig. Die poröse Struktur des Aerogels behindert außerdem eine direkte Abführung der Wärme durch die umgebende Luft. Insgesamt ergibt sich somit eine deutliche wärmeisolierende Wirkung.

 

Sol-Gel-Verfahren

 

Der Sol-Gel-Prozess tauchte bereits bei der Herstellung von Aerogelen auf. Ebenso erfolgreich wird er zur gezielten Herstellung poröser Materialien und dünner Schichten auf der Nanoebene eingesetzt, wo er in Konkurrenz zu traditionellen Verfahren wie der Abscheidung aus der Gasphase auftritt. Eine wichtige Aufgabe des Sol-Gel-Prozesses ist hier beispielsweise die Herstellung dünner Schichten.

 

Basis des Sol-Gel-Prozesses ist die Überführung eines Sols, einer Lösung kleiner Teilchen in Flüssigkeit, in ein Gel. Durch chemische Reaktionen bilden sich dabei neue Substanzen, die abgeschieden und getrocknet den neuen Werkstoff ergeben. Bei Aerogelen wird dieser Prozess in großem Maßstab durchgeführt. Bei der nanotechnischen Anwendung ergeben sich jedoch eine Reihe von besonderen Problemen, die den Ausgang der Reaktionen beeinflussen. So muss der Wachstumsprozess der neuen Partikel so gut kontrollierbar sein, dass man Teilchen der gewünschten Größe erhält. Danach muss das weitere Wachstum gestoppt werden. Zudem sollen die Wechselwirkungen zwischen den Teilchen zu einer Teilchendichte führen, aufgrund deren sich die gewünschten Werkstoffeigenschaften einstellen.

 

Üblicherweise enthält das Sol alle Stoffe, die der spätere Werkstoff auch enthalten soll. Durch chemische Reaktionen wie die Hydrolyse werden sie aus den Ausgangssubstanzen freigesetzt und können in der Lösung miteinander reagieren. Nach diesem Schritt liegen einzelne Moleküle vor, die in der Regel noch weit von dem gewünschten Endprodukt entfernt sind. Der Übergang zum Gel vollzieht sich in einem Wachstum aus einzelnen Keimen, an die sich andere Moleküle anlagern. Dieses Wachstum setzt sich fort, solange die Anlagerung neuer Teilchen für den wachsenden Keim energetisch günstig ist. Dies wird von den Kräften zwischen den Teilchen kontrolliert und kann durch Zugabe anderer, sich an den Kern anlagernder Substanzen so beeinflusst werden, dass das Wachstum des Kerns bei einer vorgegebenen Größe gestoppt wird. Bei Zweikomponentensystemen, in denen später beispielsweise Metalle in keramischen Materialien oder Polymeren untergebracht werden sollen, werden beide Bestandteile schon vor der Gelierung zusammengebracht. Sie wachsen dann zunächst unabhängig voneinander und lagern sich erst relativ spät aneinander an.

 

Resultat des Sol-Gel-Prozesses ist ein zunächst noch wasserhaltiges Gel, in dem der gewünschte nanoskopische Werkstoff den festen Teil darstellt. Dieses Gel muss noch entwässert werden, was unter anderem durch eine Wärmebehandlung erfolgen kann. Auch chemische Entwässerungsmethoden sind möglich, sie hinterlassen dann oft ein Pulver, das nachbehandelt werden muss. Der Vorteil des Sol-Gel-Verfahrens liegt nicht nur in der Möglichkeit, eine große Zahl unterschiedlicher Substanzen zu verbinden, ohne dass sie chemisch miteinander reagieren. Es können auch — beispielsweise im Tauchverfahren — sehr dünne Schichten hergestellt werden, die eine nahezu frei gewählte Oberflächenstruktur aufweisen. Dies macht das Sol-Gel-Verfahren für viele nanotechnologische Anwendungen interessant, in denen es darum geht, spezifische Strukturen auf einen Träger aufzubringen, etwa um Gas- oder Flüssigkeitssensoren zu erzeugen.

 

 Fullerene

 

Eine völlig andere Gruppe von nanoporösen Werkstoffen, deren technisches und wissenschaftliches Potenzial viel Anlass zu großen Hoffnungen gibt, sind die Fullerene, deren Existenz bereits in den 1960er-Jahren vorausgesagt, die aber erst 1985 von Robert F. Curl, Harold W. Kroto und Richard E. Smalley experimentell nachgewiesen wurden. Die drei Wissenschaftler hatten sich mit der Physik und Chemie von Clustern befasst, Zusammenballungen von einigen wenigen bis einigen Zehntausend Atomen, anhand deren beispielsweise das Wachstum von Kristallen auf Oberflächen untersucht wird. Anfang der 1980er-Jahre führten sie Experimente durch, mit denen insbesondere Kroto herauszufinden hoffte, wie und unter welchen Bedingungen sich bestimmte kohlenstoffhaltige Moleküle in den Atmosphären kühler roter Riesensterne bilden können. Zur Überraschung der Astronomen hatten sich nämlich in den Infrarotspektren dieser Sterne und auch in den Spektren von interstellarem Staub äußerst ungewöhnliche Linien gezeigt, die man sich nur durch das Vorhandensein großer Cluster aus Kohlenstoffatomen erklären konnte. Unter normalen irdischen Bedingungen hatte man aber solche Cluster bis dahin weder nachweisen noch künstlich herstellen können. Die Experimente, die Kroto und seine Kollegen durchführten, bestanden darin, Kohlenstoffatome von Graphitoberflächen zu verdampfen, indem sie hochintensives Laserlicht einstrahlten. Die anschließenden massenspektroskopischen Untersuchungen zeigten, dass die Reaktionsprodukte größtenteils von Molekülen aus sechzig Kohlenstoffatomen (C₆₀-Molekülen) gebildet wurden. Zusätzlich legte die Ähnlichkeit der Infrarotlinien dieser Kohlenstoffgebilde mit den in den Sternspektren gefundenen Linien nahe, dass auch in der Natur unter extremen Bedingungen C₆₀-Moleküle entstehen. Damit war es — wie wir heute wissen — tatsächlich gelungen, zum ersten Mal Fullerene nachzuweisen. Fullerene sind demnach sehr wahrscheinlich Bestandteile des interstellaren Staubs. Den ersten direkten Nachweis natürlich vorkommender Fullerene lieferten Astrogeologen im Sommer 1999. Sie behandelten den in Mexiko gefundenen Allende-Meteoriten mit unterschiedlichen Lösungsmitteln und konnten so eine Reihe von Fullerenen nachweisen, wobei nicht nur das häufige C₆₀, sondern auch hochatomige Fullerenen mit mehr als 200 Kohlenstoffatomen gefunden wurden.

 

Wie Untersuchungen Anfang der 1990er-Jahre zeigten, besitzen Fullerene eine auffallende kugelförmige Struktur, in der jeweils drei Kohlenstoffatome miteinander verbunden sind. Da derartige Strukturen an die Kuppelbauten des Architekten Richard Buckminster Fuller erinnerten, wurden die Moleküle von ihren Entdeckern »Buckminsterfullerene« oder eben kurz »Fullerene« getauft. Sportenthusiasten erkannten im C₆₀-Molekül eher einen Fußball, weshalb die Moleküle auch den Spitznamen »Buckyballs« erhielten. Das aus 60 Atomen bestehende Fulleren C₆₀ ist allerdings nicht das einzige Molekül dieser Klasse. Moleküle aus 70 Kohlenstoffatomen und mehr sind ohne weiteres möglich, auch ein Molekül mit 240 Atomen ist bekannt. Darüber hinaus lässt sich die Bildung von Fullerenen künstlich steuern, sodass längliche Fullerene, die Nanoröhren oder Buckytubes, entstehen.

 

Die Ausbeuten der ersten, durch Laserverdampfung von Kohlenstoff erzeugten Fullerene waren sehr gering. 1990 aber stellten Wolfgang Krätschmer und Donald R. Huffmann ein Verfahren vor, das ganz ohne Großgeräte auskommt. Diese Methode liefert so hohe Ausbeuten, dass durch sie die Erforschung der Fullerene im großen Stil möglich wurde. Beim Verfahren von Krätschmer und Huffmann genügt eine luftleer gepumpte Glasglocke, in die Stromanschlüsse und zwei Kohleelektroden eingebaut sind. Die Elektroden werden mit einer äußeren Stromquelle verbunden. Aufgrund des dann durch den Kohlenstoff fließenden Stroms lösen sich an der Spitze der Elektroden zahlreiche Atome ab. Die dort auftretenden hohen elektrischen Feldstärken sorgen dafür, dass die Atome ionisiert werden; dadurch kann der Strom von einer Elektrode zur anderen überspringen, und es entsteht ein Lichtbogen, in welchem nun chemische Reaktionen zwischen den Kohlenstoffatomen stattfinden. Damit die Elektroden unter Einfluss der Restatmosphäre im Gerät nicht verbrennen, wird der Reaktionsraum mit einem chemisch inaktiven Gas wie Helium gefüllt. Umhüllt man die Elektroden zusätzlich mit einem Quarzglas, schlagen sich die aus dem Plasma abdampfenden Kohlenstoffatome überwiegend dort nieder, und es bildet sich ein rußiger Überzug. Die Energie der Kohlenstoffatome ist im Überzug immer noch hoch genug, dass sie miteinander reagieren können und dabei unter anderem auch Fullerene bilden, während die Heliumatmosphäre Reaktionen mit anderen Substanzen verhindert. Das Quarzglas hält die Reaktionskammer einigermaßen rußfrei, was die spätere Reinigung vereinfacht. Die Reaktionsprodukte werden durch ein Lösungsmittel aus dem Ruß entfernt und können nun untersucht werden. Der Nachweis, dass sich durch dieses Verfahren auch tatsächlich Fullerene bilden (und nicht bloß Graphit) kann beispielsweise mittels optischer Spektroskopie oder Massenspektrometrie erfolgen.

 

Bei erfolgreicher Durchführung der Prozedur liegen nun Fullerene vor, für die derzeit eine ganze Reihe möglicher Anwendungen diskutiert wird, die aber alle noch nicht serienreif sind. Da die Fullerene eine Kugel bilden, besitzen sie in ihrem Inneren einen Hohlraum, dessen Durchmesser einige Nanometer beträgt. Dieser Hohlraum kann prinzipiell mit anderen Atomen oder — bei großen Fullerenen — mit Molekülen gefüllt werden. Dass dies tatsächlich möglich ist, konnte mit massenspektrometrischen Messungen nachgewiesen werden, und zwar exemplarisch am Einschluss von Heliumatomen des Schutzgases. Für diese ist das Innere eines gerade entstehenden »Buckyballs« zugänglich, und wenn ein Heliumatom sich dort gerade in dem Augenblick aufhält, in dem der letzte Baustein eingebaut wird, so ist es gefangen. Nachweisen kann man diesen Einschluss, wenn im Massenspektrum ein Signal bei einer um vier Masseneinheiten über dem C₆₀-Molekül liegenden Masse gefunden wird (die Masse von Helium beträgt vier atomare Masseneinheiten). Allerdings gibt es dabei ein Problem: Nicht alle Kohlenstoffatome haben die Masse 12, ungefähr jedes hundertste hat die Masse 13. Wenn also ein C₆₀-Molekül vier dieser Atome enthält, so täuscht es ein heliumgefülltes Fulleren aus 60 ¹²C-Atomen vor. Daher untersucht man die Probe mittels Kernspinresonanzspektroskopie — eine Technik, die auch dem aus der Medizintechnik bekannten Kernspintomographen zugrunde liegt. Hierfür muss man das seltene Heliumisotop mit der Masse drei (³He) verwenden, das anders als ⁴He ein magnetisches Moment besitzt. Auf diese Weise kann gezeigt werden, dass — bei einer rein zufälligen Einlagerung — eines von einer Million Fullerenmolekülen mit Helium gefüllt ist. Diese Zahl lässt sich steigern, indem man die Proben auf hohe Temperaturen erhitzt. Dann reicht die kinetische Energie des Heliums offenbar aus, um Löcher in das Fulleren zu reißen, sodass es auch in das Innere eines »fertigen« Moleküls eindringen kann. Das entstandene Loch wird durch Anlagerung neuen Kohlenstoffs sofort wieder geschlossen.

 

Von einem gezielten Einbringen von für die Anwendung interessanten Substanzen in Fullerene sind die Wissenschaftler allerdings noch weit entfernt — immerhin konnten sie beweisen, dass es möglich ist. Dennoch denkt man an Anwendungen, etwa im medizinischen Bereich, wo Medikamente bei ganz bestimmten Bedingungen im Körper frei gesetzt werden. Da sich bereits eine rege Fullerenchemie entwickelt hat, die weit mehr als 10 000 Substanzen kennt, sind derartige Überlegungen nicht allzu utopisch. Ähnlich wie in der organischen Chemie würden spezifische Moleküle in ein Fulleren eingelagert oder an ein oder mehrere Fullerene angehängt werden.

 

Eine weitere Idee besteht darin, Alkaliatome (zum Beispiel Lithium, Natrium oder Kalium) an Fullerene anzuhängen. Diese bilden danach Kristalle mit einer kubisch-flächenzentrierten Elementarzelle, in denen allerdings noch eine Reihe von Zwischengitterplätzen frei ist. Bringt man an diese Stellen weitere Alkaliatome ein, so entsteht ein Molekül als Grundbaustein des Kristalls, das aus drei Alkaliatomen und einem Fulleren besteht und dessen chemische Formel A₃C₆₀ lautet (»A« steht für ein beliebiges Alkaliatom). Solche Fullerene wurden auf eine etwaige Supraleitfähigkeit untersucht, wobei sich herausstellte, dass die Sprungtemperatur bei etwa —263 Grad Celsius lag. Andere Vertreter dieser Klasse bringen es sogar auf Sprungtemperaturen um —230 Grad Celsius, sodass es nicht ausgeschlossen scheint, eines Tages supraleitende Fulleride herstellen zu können, deren Eigenschaften an diejenigen der keramischen Hochtemperatursupraleiter heranreichen.

 

Im Zuge der explosionsartigen Entwicklung der Fullerenchemie entstanden auch bald die ersten Polymere aus Fullerenen. Solche Ketten von Fullerenen könnten in einer noch fernen Nanotechnologie Bestandteile der Stützstrukturen sein, auf denen nanometergroße Maschinen untergebracht werden. Der Realisierung wesentlich näher sind allerdings die Nanotubes, röhrenförmige Gebilde mit Durchmessern im Nanometerbereich, aber makroskopischer Länge. Solche Röhren in Längen von Zentimetern oder Metern herzustellen, ist zwar selbst im Labor noch problematisch, aber kürzere Fulleren-Nanoröhren wurden bereits mit hoher Ausbeute durch Laserverdampfung von Graphit gebildet. Sie lagern sich aufgrund von Van-der-Waals-Kräften, ähnlich wie sie schon bei der Zusammenlagerung von Polymerketten eine Rolle spielten, aneinander an und bilden so breite stabile Bündel. Ein solches Bündel aus Nanoröhren, würde es zu makroskopischer Größe anwachsen, könnte die Festigkeit von Stahl um ein Weites übertreffen und durch Anlagerung von Metallatomen sogar noch eine extrem hohe elektrische Leitfähigkeit bekommen. Diese Eigenschaften rühren von der kristallinen Struktur der Nanoröhren her, die im Idealfall perfekte Röhren mit nur einer Wandung bilden, da sie längliche Erweiterungen des kugelförmigen C₆₀ sind. Die Nanoröhren bilden praktisch einen Einkristall mit perfekt arrangierten Atomen.

 

Ein mögliches Verfahren zur Herstellung dieser Nanoröhren beruht darauf, dass dem Kohlenstoff ein geringer Anteil an Metallatomen hinzugefügt wird. Diese Metalle binden sich an einer Stelle an das Fulleren und sättigen dort die offenen Bindungen ab. Treffen nun weitere Kohlenstoffatome ein, lagern diese sich lieber an energetisch günstigeren Stellen an, als eine der Bindungen des Metalls aufzubrechen. Sie wandern daher zum bereits existierenden Fulleren und werden dort eingebunden. Als Resultat bildet sich eine immer länger werdende Nanoröhre.

 

Eine Anwendung für derartige Nanoröhren wurde bereits entwickelt, allerdings bisher nur im Labormaßstab. Man nutzt dabei die Röhren als Aktuatoren, deren Länge man durch elektrischen Strom beeinflusst. Lädt man die Röhren elektrisch auf, so vergrößert sich auch der Abstand zwischen den Kohlenstoffatomen. Die Größenänderung ist zwar gering, aber die große Zahl von Atomen in einer Röhre führt dazu, dass makroskopisch messbare Effekte auftreten. Da durch diese Längenänderung elektrische Energie in mechanische Arbeit umgewandelt wird, könnte man die Röhren dazu benutzen, um Schalter zu öffnen oder zu schließen — so die Vorstellung der Entwicklungsingenieure.

 

 Nanoverbunde

 

In der makroskopischen Welt bestehen Verbundstoffe meist aus zwei deutlich getrennten Phasen oder zwei unterschiedlichen Werkstoffen, die zu einem neuen Werkstoff mit verbesserten Eigenschaften zusammengefasst waren. Das ist im Prinzip auch die richtige Beschreibung von Nanoverbunden — allerdings mit einer entscheidenden Einschränkung: Die unterschiedlichen Werkstoffe sind hier aufgrund der Kleinheit der beteiligten Phasen ohne modernste Untersuchungsmethoden kaum noch zu unterscheiden.

 

Ähnlich wie die makroskopischen Vettern lassen sich Nanoverbunde grob in zwei Gruppen unterteilen. Schichtverbunde entstehen durch das Aufbringen einer dünnen Schicht auf einen Träger mithilfe nanotechnologischer Verfahren, während Gefügeverbunde Verbindungen zweier unterschiedlicher Substanzen in einem mikrokristallinen Gefüge sind. Zu den Gefügeverbunden werden auch die Cluster gerechnet, also isolierte Materialgruppen aus einigen wenigen bis hin zu mehreren Hundert Atomen, die auf einem Substrat aufgebracht werden. Die Herstellungsmethoden sind in beiden Gruppen oft dieselben und umfassen Techniken, die auch in der Mikrosystemtechnik angewandt werden. Neben dem Sol-Gel-Verfahren handelt es sich oft um chemische oder physikalische Abscheidung aus der Gasphase und verwandte Techniken.

 

Schichtverbunde

 

Bei den nanotechnischen Schichtverbunden handelt es sich meist um nur wenige Nanometer starke Schichten, die mit unterschiedlichen Techniken auf eine Oberfläche aufgebracht werden. Eingesetzt werden sie beispielsweise im Korrosionsschutz, im Schutz vor thermischen Belastungen, zur Verbesserung von makroskopischen Verbunden durch entsprechende Trägerschichten sowie in der Computertechnik.

 

Ein schönes Beispiel für nanostrukturierte Beschichtungsverfahren, die zur Entwicklung neuartiger Herstellungstechniken eingesetzt werden, welche auch die Weiterentwicklung der Mikroelektronik beeinflussen könnte, ist die Langmuir-Blodgett-Technik.

 

Bei diesem Verfahren werden auf einer Wasseroberfläche Moleküle mit einem Wasser abstoßenden (hydrophoben) und einem Wasser anziehenden (hydrophilen) Ende aufgebracht. Durch vorsichtige Kompression erreicht man, dass sich auf der Wasseroberfläche eine Molekülschicht bildet, die genau eine Moleküllage stark ist und in der alle hydrophilen Molekülenden zur Wasseroberfläche hin und alle hydrophoben von der Oberfläche weg gerichtet sind. Wird nun der zu beschichtende Träger langsam in das Wasser eingetaucht und wieder herausgezogen, so überträgt sich die Schicht auf ihn, und man erhält ein nahezu perfekt mit einer Monolage der Moleküle beschichtetes Substrat. Diese Prozedur lässt sich mehrfach wiederholen — auch mit jeweils verschiedenen Schichten auf der Wasseroberfläche, sodass mehrere unterschiedliche Moleküllagen auf den Träger aufgebracht werden können. Die verschiedenen Lagen können beispielsweise ein unterschiedliches elektronisches Verhalten zeigen. So könnte zwischen zwei aufeinander folgenden Schichten eine breite Bandlücke erzeugt werden, ein Energiebereich also, in dem sich keine freien Ladungsträger aufhalten dürfen. Damit hätte man aber bereits die Grundlage eines elektronischen Speichers geschaffen. Durch entsprechende Verschaltung lässt sich die Bandlücke bei Anlegen eines Steuerstroms überbrücken, sodass die in einer Schicht angesammelten Ladungsträger in die zuvor gesperrte Schicht wandern. Ähnliche Techniken werden in der Elektronik schon lange genutzt. Durch Verbindung mit entsprechend hergestellten Schichten wird der Elektronik nun auch die dritte Dimension zugänglich. Diese Entwicklungen sind Bestandteil von Arbeiten, die darauf abzielen, die derzeitigen Grenzen der Elektronik, die vorwiegend optische Lithographieverfahren in der Speicherherstellung einsetzen, auszuweiten und eine auf molekularer Basis arbeitende Elektronik zu schaffen.

 

Glasschichten

 

Glaskeramische Schichtverbunde sind auch im nanoskopischen Bereich anzutreffen. Hergestellt werden diese Werkstoffe durch einen modifizierten Sol-Gel-Prozess. Zunächst werden im Rahmen dieses Prozesses Cluster aus Siliciumoxid gebildet, deren Ausdehnung nur wenige Nanometer beträgt. Dieses siliciumdioxidreiche Sol kann nun als Beschichtungswerkstoff verwendet werden, zum Beispiel für Tauch-, Schleuder- oder Sprühbeschichtungen. Während und kurz nach dem Beschichtungsvorgang geliert das Sol und bildet einen wasserreichen Oberflächenfilm, der in dieser Form allerdings noch kaum seinen Zweck erfüllt. Erst die anschließende thermische Härtung bei Temperaturen von mehr als 450 Grad Celsius führt zu einer Vernetzung, wie sie von den klassischen Gläsern bekannt ist. Es ist somit im Nanobereich nicht notwendig, die hohen, für Quarzschmelzen notwendigen Temperaturen von mindestens 1739 Grad Celsius zu erzeugen, um Glas herzustellen. Die Härtungstemperatur von 450 Grad Celsius liegt jedoch immer noch so hoch, dass von der Aufbringung einer Glasschicht auf Kunststoffe abgesehen werden muss.

 

Derartige Schichten besitzen nicht nur eine extrem einheitliche Dicke, sondern lassen sich auch in ihrem Brechungsindex an die gewünschte Anwendung anpassen. Durch Kombination von hoch und niedrig brechenden Glasschichtsystemen entstehen so hervorragende Antireflexbeschichtungen für Glasscheiben, deren Restreflexionsgrad unter einem Prozent liegt. Der Vorteil derartiger Schichten gegenüber konventionell, etwa durch Metallbedampfungsverfahren, hergestellten Schichten liegt in der hohen Präzision der Systeme. Schon drei nanostrukturell aufgetragene Schichtsysteme übertreffen die Effektivität von zehn bis fünfzehn konventionellen Schichten.

 

Die notwendigen Härtungstemperaturen von mehr als 450 Grad Celsius lassen eine Beschichtung von Metallen zu, wie zum Beispiel Edelstahl. Edelstahl, auch in seiner normalerweise rostfreien Variante, neigt bei Einsatztemperaturen von über 500 Grad Celsius zur Bildung von Oberflächenschichten aus Eisenoxid, die dem Bauteil eine bronzefarbene Patina verleihen — schlicht gesagt, er rostet. Dieser unerwünschte Effekt kann durch die Glasschichttechnologie verhindert werden. Da so behandelte hochglanzpolierte Edelstähle auf lange Zeit konserviert werden können, werden somit dauerhafte Hochglanzoberflächen möglich, die ohne umweltgefährdende galvanische Verfahren erstellt werden können. Auch viele Härtungsverfahren lassen sich mit der Glasschichttechnologie ersetzen. Die geringe Dicke und die durch die glasartige Struktur bedingte Flexibilität der Schicht ermöglichen trotz der aufgebrachten Beschichtung die Anwendung vieler Metallbearbeitungsverfahren.

 

Eine wichtige Frage der Glasschichttechnologie ist, ob, und wenn ja, wie dünne Glasschichtsysteme oder frei stehende Glasschichten zusätzlich verfestigt werden können. Die Antwort gibt wieder einmal das Sol-Gel-Verfahren, mit dem man auch Glassystemen neue Eigenschaften zueignen kann. Bei gleichzeitiger Erhöhung der Bruchfestigkeit dünner Glasscheiben sollen andere Eigenschaften des Glases erhalten bleiben beziehungsweise verbessert werden, so etwa die optische Transparenz sowie die chemische und mechanische Abriebbeständigkeit. Erfüllt werden diese Anforderungen durch die Beschichtung der Dünnglasschichten oder -scheiben mit Sol-Gel-Schichten, welche die Geometrie von Mikrorissen in der Oberfläche beeinflussen (zum Beispiel durch Verkürzung der Risslänge) oder Druckspannungen in der Glasoberfläche aufbauen. Verwendet werden bei dieser Glasschichttechnologie transparente glasartige Schichten, deren Schichtdicke bei 0,1 bis zwei Mikrometern liegen kann. Sie erhöhen die Biegefestigkeit von 500-Mikrometer-Dünnglas um 150 Prozent und bei Zwei-Millimeter-Floatglas immer noch um 100 Prozent. Anwendungen liegen hier im Bereich der Abdeckungen, etwa von Displays, oder in der Photovoltaik.

 

Wie stellt man frei stehende Ausführungen dieser Dünnglasbeschichtungen her? Dies gelingt durch ein spezielles Verfahren zum Auftragen des Sols mit anschließender Gelierung und Trocknung; es entstehen großflächige (35 mal 20 Quadratzentimeter) rissfreie und plane Gelfolien mit Dicken zwischen 40 und 1000 Mikrometern. Durch eine thermische Behandlung bei 400 Grad Celsius unter Luft kann man diese zu glasartigen Folien umwandeln. In sie lassen sich beispielsweise färbende und leitende Ionen einbauen, etwa für optische beziehungsweise optoelektronische Anwendungen, aber auch zur Herstellung von Laminaten und Substraten für mikroelektronische Anwendungen.

 

Gefügeverbunde

 

Wie bereits beschrieben, umfassen die Gefügeverbunde einen weiten Bereich an Techniken und Anwendungen. Zu den Gefügeverbunden zählen im Nanobereich beispielsweise Werkstoffe, in denen etwa einzelne Metallatome gezielt mithilfe eines Rastertunnelmikroskops auf einer glatten Siliciumoberfläche abgeschieden und angeordnet werden. Solche Metallcluster, bestehend aus einigen Hundert Atomen, könnten in einigen Jahren wichtig werden, wenn die herkömmliche Computerelektronik an die Grenze des physikalisch Möglichen gelangen wird. Auch die Einbettung von Kunststoffen in eine Siliciumoxidmatrix, die später wieder entfernt wird, führt zunächst zu einem nanostrukturierten Gefüge, das allerdings im Anschluss nochmals verändert wird, um einen nanoporösen Werkstoff zu erzeugen.

 

Ein weiteres, viel versprechendes Beispiel sind baumartig verästelte organische Moleküle (Dendromere), in denen gezielt einige Kohlenstoffatome durch Silicium und Sauerstoff ersetzt wurden. Hängt man an diese Moleküle noch Metallatome an, so erhält man einen äußerst wirkungsvollen Katalysator, denn die Moleküle besitzen aufgrund ihrer verästelten Struktur eine sehr große Oberfläche, können also viele Reaktionspartner gleichzeitig »behandeln«. Sie lassen sich nach dem Ende ihrer katalytischen Aufgabe leicht wiedergewinnen, reinigen und erneut verwenden. Da man anstelle von Metallatomen auch andere Substanzen anhängen kann, gibt es für diese Stoffe eine breite, noch lange nicht ausgeschöpfte Anwendungspalette.

 

Die sehr große spezifische Oberfläche, also der hohe Anteil von Oberflächenatomen im Vergleich zu Atomen im Inneren des Materials, ist eine wichtige Besonderheit der nanometergroßen Gefüge. Bei makroskopischen Gefügen befinden sich — beispielsweise innerhalb eines Korns — nur wenige Prozent der Atome an der Oberfläche, während der größte Teil das Innere ausfüllt; bei Nanogefügen ist dies gerade umgekehrt. Dies lässt erwarten, dass die Festigkeit nanostrukturierter Werkstoffe generell höher ist als diejenige von ähnlichen, aber herkömmlich hergestellten Werkstoffen. Nanostrukturierte Keramiken lassen aus demselben Grund auch noch eine hohe Zähigkeit erwarten, im Gegensatz zu der bekannten Sprödigkeit der üblichen keramischen Werkstoffe.

 

Als Grundlage zur Herstellung der nanotechnischen Gefügeverbunde dienen häufig feine nanostrukturierte Pulver, die durch Zerkleinern und Mischen zweier oder mehrerer Komponenten entstehen, wobei das Ergebnis dieser Prozedur in der Regel thermisch nachbehandelt werden muss, um eine Verbindung der Stoffe zu gewährleisten.

 

Ein großes Problem ist dabei, dass es kaum Nanopulver gibt, die nicht schon vorzeitig zusammenklumpen (agglomerieren). Die Kräfte, die dabei wirken, sind außerordentlich groß, sodass die Nanopulver erst separiert und vor erneuter Agglomeration geschützt werden müssen, bevor die speziellen Eigenschaften der Nanopulver durch weitere Bearbeitungsschritte genutzt werden können. Es gibt allerdings Verfahren, bei denen Pulver aus anorganischen und organischen Vorläuferphasen innerhalb einer Lösung gezüchtet werden können. Solche Pulver sind automatisch mit einer Oberflächenbeschichtung versehen, die sie vor der vorzeitigen Agglomeration schützt. Das Prinzip dieses Synthesewegs besteht darin, dass die chemische Zusammensetzung der keramischen Partikel über Fällungsreaktionen eingestellt wird. Ausgangsbasis sind eine oder mehrere flüssige Trägersubstanzen, welche die erwünschten chemischen Ausgangsstoffe enthalten (beispielsweise Aluminiumverbindungen). Sie sind miteinander in einem Lösungsmittel gelöst, in dem auch Additive für die spätere Oberflächenbeschichtung vorhanden sind. Änderungen des Säuregrads oder der Temperatur oder des Drucks dieses Systems führen dann dazu, dass sich das Gleichgewicht zwischen den Komponenten der Lösung verschiebt und sich in der Folge eine feste Phase ausscheidet. Diesem Keimbildungsvorgang folgt der Prozess des Keimwachstums, der gezielt bei der gewünschten Partikelgröße unterbrochen werden kann. Die molekularen Einheiten der so gebildeten Feststoffe sind nur wenige Nanometer groß und tragen an ihrer Oberfläche bereits die notwendigen Additive, die ein weiteres Anhaften verhindern.

 

Diese in Lösung befindlichen Nanoteilchen lassen sich direkt weiter verwenden, zum Beispiel um Beschichtungssysteme mit nanometergroßen Partikeln für Kratzfestbeschichtungen zu entwickeln. Im Falle von keramischen Pulvern werden diese Partikel in weiteren Vorgängen einer thermischen Umwandlung unterzogen, sodass am Ende beschichtete, agglomerationsfreie Kristallkörner vorliegen, deren herausragende Eigenschaft ihre uneingeschränkte Verarbeitbarkeit ist.

 

Solcherart oberflächenbeschichtete keramische Pulver ermöglichen eine problemlose Anwendung traditioneller Formgebungsverfahren auch bei Hochleistungskeramiken. So kann man selbst komplexe Formkörper über preiswerte Gießverfahren erhalten, und diese lassen sich zu einem homogenen Bauteil sintern. Man erreicht dies beispielsweise bei den handelsüblichen Siliciumcarbidpulvern, deren Korngrößen im Bereich von Mikrometern liegen, durch die Beschichtung mit nanofeinen Kohlenstoff- oder Borpartikeln und weiteren chemischen Additiven. Dadurch verändern sich die abstoßenden und anziehenden Kräfte zwischen den Teilchen in der Lösung, und zwar dahingehend, dass die abstoßende Wechselwirkung zwischen ihnen größer wird als ihre Tendenz, sich im Schwerefeld der Erde auf dem Boden der Form abzulagern. Zudem minimiert man damit anziehende Kräfte, sodass das Wasser aus dem Schlicker — dem Rohmaterial in der Gussform — auch ohne äußeren Druck allmählich aus der Keramik austritt und an den Seiten von der Gipsform aufgesaugt wird. Man erhält dadurch einen Scherben, der so homogen ist, dass die Oberfläche glänzt. Entsprechend homogen ist auch das Gefüge, dass aus einem drucklosen Brandverfahren resultiert. Für spätere Hochtemperaturanwendungen ist es ideal geeignet, da es kaum Eigenspannungen aufweist, die bei hohen Temperaturen zu Rissen führen können. Erst dadurch wird es möglich, großvolumige Siliciumcarbid-Bauteile herzustellen, die über eine hohe Thermoschockbeständigkeit verfügen.

 

Keramische Ultrafiltrationssysteme werden ebenfalls mithilfe des Sol-Gel-Verfahrens nanotechnisch gefertigt. Verwendet werden derartig vorbereitete Schlicker, die beispielsweise aus Zirconiumdioxid oder Tonerde bestehen, um in einem weiteren Verfahrensschritt, dem Folienguss, Werkstoffe mit maßgeschneiderten extrem feinen Poren, von gerade einmal zwei bis vier Nanometern Durchmesser zu erzeugen. Beim Folienguss wird der keramische Schlicker über ein Abstreifverfahren auf eine Trägerfolie übertragen. Dieses nun leicht zu handhabende Zwischenprodukt wird dann auf Tonerde-Substrate aufgebracht und zusammen mit diesem gebrannt. Es bildet sich eine nur wenige Mikrometer dicke Trennschicht — auch diese ist wiederum so homogen, dass ihre Oberfläche glänzt.

 

Die Universalität dieser Methode erlaubt auch die Erzeugung von anderen nanokompositären Varianten, etwa durch Zusatz eines speziell angepassten Kunststoffbindemittels zu den Siliciumcarbidkörnern. Diese sind dann durch Spritzgussverfahren formbar. Entsprechende Verfahren findet man sonst meist im Bereich der Kunststoffverarbeitung. Die entstehenden »grünen«, das heißt noch zu brennenden Bauteile sind klein, homogen und extrem detailliert modelliert.

 

Bevor ein solches Bauteil in den Ofen gebracht werden kann, muss ein Großteil des Bindemittels entfernt werden. Unterbleibt dies, besteht die Gefahr, dass sich während des Brandes keine oder zu wenige Keramikteilchen miteinander verbinden. Traditionell — also bei makroskopischen Verfahren — nutzt man Lösungsmittel oder Erwärmung zum Entfernen des Bindemittels. Beide Varianten verzögern den Herstellungsvorgang erheblich und erhöhen die Kosten. Nanotechnologisch veränderte Bindemittel besitzen demgegenüber die außergewöhnliche Eigenschaft, dass sie sich durch eine Behandlung, die mit der Alkoholentfernung aus Bier vergleichbar ist, rasch und effektiv auch wieder entfernen lassen. Damit erreicht man so hohe Taktraten in der Fertigung, dass die keramische Spritzgusstechnologie großtechnisch einsatzfähig wird.

 

 Wozu nanotechnische Werkstoffe?

 

Die zukünftige Breite des Spektrums nanotechnologisch hergestellter Materialien ist zurzeit noch kaum abzusehen. Einige Anwendungen werden jedoch bereits entwickelt, welche deutlich machen, dass es nicht nur im Bereich der Herstellungsverfahren zu einer engen Verschmelzung von Biologie, Chemie und Physik kommt, sondern auch in der industriellen Technik.

 

Biologie und Medizin

 

Bereits heute deutet sich an, dass nanostrukturierte Werkstoffe die Biowissenschaften sowohl in der Grundlagenforschung als auch in der medizinischen Praxis bereichern werden. So existiert eine Methode, mit der sich einzelne Zellgruppen isoliert voneinander auf einer Kunststoffmatrix züchten lassen. Dies ermöglicht sowohl die Diagnose erkrankter Zellen als auch Experimente mit unterschiedlichen Medikamenten.

 

Nanoverbunde sollen auch dabei helfen, zukünftig Prothesen zu verbessern. Prothesen wie etwa künstliche Gelenke sind kontinuierlich intensiven Belastungen ausgesetzt. Dies führt in der Folge zu Mikrorissen, die sich allmählich ausbreiten, sodass ein Implantat nach einiger Zeit ausgetauscht werden muss. Nanostrukturierte Werkstoffe können die Lebensdauer von Prothesen erhöhen. Da sie einen gleichmäßigeren Aufbau und eine glattere Oberfläche haben, bilden sich Risse schwerer. Nanostrukturierte Materialien können in kleine Risse zudem einfacher hineindiffundieren und diese schließen, bevor sie zu einer Gefahr für die ganze Prothese werden. Der im Knochen verankerte Bereich des Implantats muss eine relativ raue Oberfläche besitzen, da sich dort die Knochen bildenden Zellen ansetzen. Durch Nanobeschichtungen lässt sich die Oberfläche im Vergleich zu herkömmlichem Material also nicht nur glatter gestalten, sondern auch im Gegenteil deutlich aufrauen, wodurch die Zellen besser anhaften und sich außerdem besser verankern können.

 

Computertechnik

 

Die Mikroelektronik und mit ihr die Computertechnik sind weitere dankbare Abnehmer nanotechnischer Verfahren sowie nanotechnischer Werkstoffe. Da absehbar ist, dass die weitere Miniaturisierung aufgrund der physikalischen Beschränkungen der Herstellungsverfahren an eine Grenze stoßen wird, ist man weltweit auf der Suche nach neuen Verfahren, um nanometergroße Strukturen, statt wie bisher mikrometergroße, zu erzeugen. Diese sollen zudem mit höchster Genauigkeit und natürlich im großtechnischen Maßstab einsetzbar sein. Zu den potenziellen künftigen Herstellungsverfahren zählen Belichtungsverfahren, bei denen die zu erzeugenden Strukturen auf das Substrat nicht mit Licht, sondern mit Elektronen- oder Röntgenstrahlen »gedruckt« werden.

 

Ebenfalls in der Diskussion ist eine Methode, die mit der Interferenz blauer Laserstrahlen — also mit sichtbarem Licht — arbeitet. Ein Laserstrahl wird dabei zunächst in zwei Teilstrahlen aufgespalten, die auf einer lichtempfindlichen Photolackschicht zur Interferenz gebracht werden. Dadurch entsteht im Photolack ein periodisches Helligkeitsmuster. Entwickelt man diesen Photolack, so entsteht ein Höhenprofil, welches die Intensitätsverteilung des Interferenzmusters widerspiegelt. Man bedampft nun die Spitzen der Lackschicht mit Aluminium und ätzt dann den Photolack weg. Durch die Aluminiumkappe auf dem Lack bleiben die Spitzen geschützt, sie werden erst in einem späteren Schritt entfernt. Nach weiteren Bearbeitungsschritten sind beispielsweise magnetisierbare Gebiete entstanden, deren gegenseitiger Abstand gerade einmal 130 Nanometer beträgt. Eine denkbare Anwendung ist die Herstellung neuartiger magnetischer Speicher mit einer Kapazität von zehn Gigabit pro Quadratzentimeter.

 

 Einblicke in den Nanokosmos

 

Die Herstellung von Nanoverbunden ist nur die eine Seite der Medaille »Nanotechnologie«. Der Nachweis, ob die gewünschten Substanzen oder Eigenschaften auch tatsächlich erzeugt wurden, und die Untersuchung der inneren Struktur gehören jedoch unverzichtbar dazu — eine besondere technologische Herausforderung, da die Nanostrukturen nicht mit dem bloßen Auge und meist auch nicht mit dem herkömmlichen Mikroskop zu beobachten sind.

 

Soweit es sich um gasförmige Teilchen oder leicht lösbare Teilchen handelt, die zudem auch noch ionisiert werden können, kann man ein Massenspektrometer benutzen. Bei ihm werden ionisierte Atome, Moleküle oder noch größere Teilchen durch einen Eintrittsspalt in ein konstantes Magnetfeld geschossen. In diesem Feld beschreiben die Teilchen eine Kreisbahn, deren Radius von der elektrischen Ladung und der Masse der Partikel abhängt. Diese Methode ist, wie auch die optische Spektroskopie, dazu geeignet, die einzelnen Bestandteile eines Materials zu bestimmen; allerdings kann man Moleküle, welche die gleiche Masse besitzen, nicht voneinander trennen. Um den Gefügeaufbau oder die Oberflächenstruktur zu untersuchen, muss man jedoch andere Methoden einsetzen, die einen genaueren Blick ermöglichen.

 

Rastertunnel- und Rasterkraftmikroskopie

 

Für die Untersuchung von Materialoberflächen bis hinunter zur atomaren Auflösung bietet sich die Rastertunnelmikroskopie an, die 1981 von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer vorgestellt wurde und für deren Entwicklung beide 1986 den Nobelpreis erhielten. Im angelsächsischen Raum spricht man von »Scanning Tunnelling Microscopy«, und die Abkürzung STM wird auch in Deutschland oft benutzt. Beim Rastertunnelmikroskop handelt es sich im Wesentlichen um eine metallische Nadel, beispielsweise aus Wolfram oder Platin, deren Spitze so dünn ist, dass ihr Durchmesser am Ende nur wenige Atome, also nur wenige Nanometer, beträgt. Nähert man die Spitze mithilfe einer empfindlichen Positioniereinrichtung bis auf wenige Nanometer an eine elektrisch leitende Probe an, so fließt trotz der eigentlich isolierenden Luft in der verbleibenden Lücke ein Strom. Die Elektronen können nämlich aufgrund quantenmechanischer Gesetzmäßigkeiten die Lücke zwischen Spitze und Probe »durchtunneln«. Diesem Effekt liegt die Tatsache zugrunde, das der Ort eines mikroskopischen Objekts wie zum Beispiel eines Elektrons immer nur mit einer gewissen Unschärfe angegeben werden kann und es deshalb nie exakt auf einer Seite der Lücke lokalisiert werden kann.

 

Die Stärke des Tunnelstroms hängt im Wesentlichen vom Abstand der Nadel von der Oberfläche ab. Stellt man das Gerät auf eine konstante Stromstärke als Referenz ein, zeigt daher eine wechselnde Durchbiegung der Nadel eine Erhöhung oder eine Senke im Material an; alternativ kann man bei fester Höhe der Nadel an der Variation des Stroms den Abstand zur Probe ablesen. Durch die Positioniereinrichtung, die piezoelektrische Kristalle zur Abstandsmessung nutzt, wird die Nadel langsam horizontal über die Probe bewegt (man spricht auch vom Abscannen der Oberfläche) und dabei der resultierende Strom oder die Durchbiegung der Nadel gemessen; diese Werte werden von einem Computer in ein Bild umgerechnet, wobei die Höheninformation als Falschfarbenbild oft durch willkürliche Farben veranschaulicht wird.

 

Die Rastertunnelmikroskopie beschränkt sich nicht auf die Abbildung einzelner Atome. Man kann nach demselben Prinzip auch Atome ablösen, bewegen und an beliebiger Stelle wieder ablegen. Dazu legt man an einer vorgewählten Stelle an die Sonde eine zusätzliche elektrische Spannung und pumpt so Energie in das nächstgelegene Atom, welches daraufhin innerhalb seiner Bindungen zu schwingen beginnt. Bei genügend hoher Energiezufuhr ist das Atom in der Lage, seine Bindungen aufzubrechen und den Festkörper zu verlassen. Es kann sich nun an der Spitze des Mikroskops anlagern und an einer anderen Stelle der Probe abgeschieden werden.

 

Eine Weiterentwicklung der Rastertunnelmikroskopie ist die Rasterkraftmikroskopie (im Englischen Atomic Force Microscopy, AFM, genannt), die einen Nachteil der Rastertunnelmethode aufhebt: die Beschränkung auf elektrisch leitfähige Proben. Binnig, Erfinder der Rastertunnelmethode, war auch an der Entwicklung der Rasterkraftmikroskopie beteiligt, die 1986 vorgestellt wurde.

 

Dr. Gunnar Radons

 

Grundlegende Informationen finden Sie unter:

 

Verbundwerkstoffe: Teilchen-, Faser- und Schichtverbunde

 

Literatur:

 

Groß, Michael: Expeditionen in den Nanokosmos. Die technologische Revolution im Zellmaßstab. Basel u. a. 1995.

 Hamann, Claus / Hietschold, Michael: Raster-Tunnel-Mikroskopie. Berlin 1991.