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Nanotechnik : Aufbruch in die Zwergenwelt

Gigantisch, dennoch gespickt mit Nanotechnik: Der CMS-Detektor am europäischen Forschungszentrum Cern. Bild: ddp

Lange schienen Experimente mit einzelnen Atomen und Molekülen schwer vorstellbar. Heute hantieren die Forscher mit ihnen, als handle es sich um Billardkugeln. Sie bauen winzige Schaltungen und Motoren im Miniaturformat.

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          Jede Menge Spielraum nach unten versprach Richard Feynman seinen Kollegen 1959 auf einer Tagung und beschrieb eine Technik, mit der sich aus wenigen Atomen kleine Motoren, Maschinen und elektrische Schaltkreise konstruieren ließen. Seinen Berechnungen nach sollte man sogar den Inhalt der ganzen Encyclopedia Britannica auf einer Fläche so groß wie ein Stecknadelkopf unterbringen können.

          Manfred Lindinger
          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Die Zuhörer werden nicht schlecht gestaunt haben, schließlich standen damals weder die Werkzeuge und Materialien noch die entsprechenden Gerätschaften zur Verfügung, mit denen sich die Visionen hätten verwirklichen lassen. Feynman, der für sein Ideen ebenso bekannt wie berüchtigt war, wagte sogar die Behauptung, dass man sich im Jahre 2000 fragen würde, warum man erst 1960 begonnen hatte, in diese Richtung zu forschen.

          Autos, kleiner als ein Sandkorn

          Fast fünfzig Jahre später sind die Vorhersagen des brillanten Physikers längst Wirklichkeit. Die Forscher können heutzutage Motoren, Gleitlager, Spiralfedern, und Thermometer oder funktionsfähige Gitarren herstellen, die nur einen Bruchteil eines Sandkorns messen. Aus gut einem Dutzend organischer Moleküle ist 2006 das kleinste Auto gebaut worden, das sich – angetrieben durch Laserlicht – auf einer Goldoberfläche fortbewegt.

          Für jene, die mit nanometergroßen Objekten hantieren, ist das Rastertunnelmikroskop neben dem Laser und dem Transmissions-Elektronenmikroskop wohl zu dem wichtigsten Werkzeug geworden. Dessen Erfindung 1981 gilt als Geburtsstunde der Nanotechnik, erlaubte es das Instrument doch erstmals, einzelne Atome oder Moleküle auf einer Oberfläche sichtbar zu machen und zu manipulieren.

          Technik steck noch in den Kinderschuhen

          Mittlerweile ist das Gerät so verfeinert worden, dass Forscher mit der Abtastnadel des Mikroskops Oberflächen nach Belieben strukturieren, einzelne Atome wie Billardkugeln hin und her schieben und zu komplexen molekularen Gebilden zusammenfügen können. Varianten des Geräts ermöglichen es außerdem, Informationen über elektrische, mechanische, chemische oder magnetische Eigenschaften von Oberflächen zu gewinnen. Es können sogar chemische Bindungen geknüpft und wieder gelöst werden.

          Rastersondenmikroskope haben sich als äußerst nützliche Werkzeuge erwiesen, einzelne Moleküle zu Dioden, Transistoren und elektrischen Schaltkreisen zusammenzusetzen. Zu den wichtigsten Materialien für diese molekulare Elektronik zählen ohne Zweifel die Nanoröhrchen aus Kohlenstoff, die seit ihrer Entdeckung im Jahre 1991 immer mehr Werkstoffforscher wegen ihrer besonderen mechanischen und elektrischen Eigenschaften faszinieren. Die winzigen Zylinder von nur wenigen Nanometerm Dicke und mehreren Mikrometern Länge lassen sich mittlerweile aus halbleitenden Materialien wie Silizium oder Gallium-Arsenid und vielen anderen Materialien herstellen, zum Teil allein durch Selbstorganisation, ohne besonderes Zutun. Noch steckt die molekulare Elektronik in den Kinderschuhen. Deshalb versucht man weiterhin, die bestehenden Schaltkreise auf Siliziumbasis mit lithographischen Verfahren zu verkleinern.

          Die Grenze der Miniaturisierung ist längst noch nicht erreicht

          Alle fünfzehn Monate verdoppelt sich etwa die Zahl der Transistoren, die auf einem Speicherchip untergebracht werden können – die Regel, 1965 von Gordon Moore aufgestellt, gilt hat nach wie vor. Während der erste integrierte Schaltkreis – 1958 von Jack Kilby aus vier Transistoren und aus vier Kondensatoren gebaut – noch die Größe einer Büroklammer hatte, misst die kleinste Struktur auf einem modernen Mikrochip mit seinen Milliarden von Transistoren weniger als hundert Nanometer. Und die Grenze der Miniaturisierung ist längst noch nicht erreicht. So lassen sich durch Aufdampfen von Atomen mittlerweile Schichten von wenigen Atomlagen Dicke herstellen und darin Strukturen erzeugen, die nur einige Nanometer groß sind. Auf diese Weise hat man zahlreiche neue elektronische und elektrooptische Bauelemente entwickelt.

          Für genetische Analysen benötigt man dank winziger Biochips nur noch ein billionstel Liter eines biologischen Materials. In der Krebsmedizin nutzt man nanometergroße Partikeln und Kapseln bereits als Fähren für Wirkstoffe und Zytostatika. Feynman würde staunen, wo überall seine Vorhersagen eingetroffen sind. Er könnte den ersten Absatz seiner Rede auf einer Fläche lesen, die nur ein Tausendstel einer Nadelspitze misst.

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