 MEMS und Molekülmaschinen
Bringt uns die Nanophysik die Technologie der Zukunft? Die Kleinstteilchen verbessern schon heute unbemerkt die Eigenschaft vieler Materialien. Glaubt man der Wissenschaft, ist das jedoch erst der Anfang!
von Volker Lange
Winzige U-Boote durchstreifen den Körper auf der Suche nach Bakterien und Viren und reparieren defekte Zellen. Maschinen, deren Getriebe und Räder einen Durschmesser von wenigen Atomen haben, säubern die Umwelt, stellen große Mengen billiger Lebensmittel her oder prodzieren völlig neue Materialien. Science fiction?
Nicht, wenn man dem amerikanischen Nobellpreisträger Dr. Richard Smalley von der amerikanischen Rice-Univerity glauben mag. Nanotechnologie, davon ist er überzeugt, wird in wenigen Jahrzehnten nicht nur die Schäden reparieren, die die erste industrielle Revolution auf unserem Planeten verursacht hat, sie wird eine völlig neue Epoche der industriellen Produktion einleiten.
Der Wettlauf um den Nanokosmos ist deshalb in vollem Gange. Die USA, Japan und China investieren heute schon erheblich. Erste Marktanalysen wiesen für das Jahr 2000 ein Weltmarktvolumen in zweistelliger Milliardenhöhe für Nano-Produkte aus.
Was ist Nanotechnologie? Die Vorsilbe »Nano« (griech. Zwerg) bezeichnet einen Größenbereich, der 1.000fach kleiner ist als derzeitige Bauelemente des Mikrometerbereichs. Ein Nanometer entspricht dem millionsten Teil eines Millimeters. Nanotechnologen arbeiten mit Molekülen und Atomen. Der erste, der diese Technologie einst ins Gespräch brachte, war der amerikanische Nobelpreisträger Richard Feynman. In einem aufsehenerregenden Artikel stellte er in den 70er Jahren die Frage, wie klein man Maschinen machen könne, ohne die Gesetze der Physik zu verletzen. Das erstaunliche Ergebnis: In der ganzen Quantenmechanik gibt es keine Gesetzmäßigkeit, die Maschinen von Molekülgröße verbieten würde.
"Für chemische und biologische Fragestellungen", so schrieb er, "wäre es eine große Hilfe, wenn wir endlich die Fähigkeit entwickeln würden, auf der Ebene der Atome etwas zu tun und es auch zu sehen – und diese Entwicklung läßt sich nach meiner Überzeugung nicht vermeiden." Er sollte recht behalten. 1981 begannen die beiden Forscher Gerd Binnig und Heinrich Rohrer mit den ersten Arbeiten an einem völlig neuen Typus von Mikroskop, dem Rastertunnelmikroskop (RTM).
Sein Name leitet sich von einem Quanten-Effekt ab: dem sogennenten Tunnel-Strom. Er entsteht, wenn man zwischen einer Metallspitze und einer leitenden Fläche eine leichte elektrische Spannung erzeugt. Damit der Strom entsteht, muss die Sonde in etwa ein Milliardstel eines Meters, also ein Nanometer Distanz zur beobachteten Fläche gehalten werden.
Die Stärke des Tunnelstroms läßt sich messen. Da sie je nach Distanz zwischen Sonde und Fläche variiert, kann man Oberfläche eines zu untersuchenden Stoffes auf atomarer Größe abtasten. "In der einen Nacht", so erinnerte sich Binnig später, "haben wir plötzlich all diese Atome vor uns gesehen, und das ist wirklich ein phantastisches Erlebnis gewesen, weil diese atomare Welt auch so ästhetisch war, sehr geordnet, - zum Teil, - zum Teil auch sehr ungeordnet, und eine wunderschöne Struktur. Vielleicht ein bißchen wie ein Tapetenmuster. Aber sehr überraschend. Alle Theoretiker haben zu der Zeit an ganz andere Strukturen gedacht. Für uns eine kleine Offenbarung!"
Noch bevor Binnig und Rohrer 1986 für das RTM den Nobelpreis für Physik erhielten, hatte der Forscher bereits eine weitere, nicht minder bedeutsame Variante zum Patent angemeldet: das Rasterkraftmikroskop (RKM). Wie das RTM kann dieses Instrument durch Abrastern einer Oberfläche mit einer feinen Spitze das Höhenprofil einer Probe abbilden -- im besten Fall mit so hoher Auflösung, daß die Lage einzelner Atome erkennbar wird.
Im Gegensatz zum RTM, dessen Funktion von der Leitfähigkeit der Probe abhängt, können mit dem RKM auch schlecht oder gar nicht leitende Proben untersucht werden. Fewhlt noch das sogenannte Raster-Tunnel-Elektronen-Mikroskop (RTEM), eine gewaltige Apperatur, mit der man einzelne Atome sogar bewegen kann. 1996 gelang es Forscher der IBM in Zürich erstmals, mit einem solchen RTEM einen einfachen, aber funktionsfähigen Abacus-Rechner aus einzelnen Atomen zusammenzusetzen.
Steht also der Vision Richard Fynmans von molekülgroßen Maschinen nichts mehr im Wege? Sind Räder, Getriebe, Geräte, die aus einzelnen Atomen zusammengesetzt werden, schon bald industrielle Realität? Wohl kaum, wie der Leiter des Mikrostrukurlabors in Hamburg, Roland Wiesendanger meint.
Für ihn ist die Nanophysik eher die Nutzbarmachung ganz neuer physikalischer Phänomene, nämlich insbesondere von Quantenphänomenen, die sich überhaupt nur auf dieser extrem kleinen Skala äußern. "Man kann etwa daran denken, beispielsweise das Verhalten einzelner Elektronen nutzbar zu machen," so Wiesendanger, "und damit Bauelemente viel effizienter, und auch weiter kostengünstiger zu realisieren."
In der Mikroelektronik könnte damit eine neue Revolution bevorstehen. Mit noch kleineren und noch leistungsfähigeren Computerbausteinen und noch besseren Datenspeichern. Aber auch ultradünne Schichten sind denkbar. Sie werden in unterschiedlichsten Anwendungsfeldern benötigt – zum Beispiel bei Implantaten und künstlicher Haut in der Medizin, in der Optik und Photonik, oder bei neuartigen Sensoren.
An der ETH, der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich werden solche winzige Sensoren entwickelt, sogenannte Nanoroboter. Nanoroboter sind Maschinen, die ihre Informationen direkt aus der Nanowelt beziehen. Ob Strukturen, Formen oder elektrische Signale, Nanoroboter sollen in der Lage sein, diese Daten zu erfassen und intelligent zu verarbeiten.
Prof. Andreas Stemmer ist Leiter des Instituts für Nanorobotik. Eine seiner Visionen: chirurgische Instrumente nicht nur als Werkzeuge auszubilden, sondern zugleich auch als eine Art Sensor die dem Chirurgen Informationen über das Gewebe liefert, durch das er gleich schneiden will. Gewissermaßen ein intelligentes Skalpell. Doch das ist Zukunftsmusik.
Noch weiter in der Zukunft sieht Stemmer die Nanomaschinen. Zwar könne man einzelne Atome bereits bewegen, doch "wie kann ich mit Milliarden, Billionen von Teilchen umgehen? Wie mache ich das?" Bei einer solchen Herkules-Aufgabe im Nanobereich führten die heute bekannten Konzepte nicht weiter, so der Wissenschaftler. Da müsse völlig neu gedacht werden.
Könnte es vielleicht sein, daß Nanomaschinen für immer ein Traum bleiben? Und hat der Hewlett-Packard-Ingenieur Phillip W. Barth vielleicht recht, wenn er meint, die Nanotechnologie werde immer mehr zu einer pseudowissenschaftlichen, religiös angehauchten Lehre, einzureihen in das Kuriositätenkabinett der grenzenlos optimistischen Prophezeiungen? Vielleicht. Aber vielleicht auch nicht. Wenn überhaupt, dann wird es wirkliche Nanomaschinen frühestens in 50 Jahren geben. Das zumindest meint der amerikanische Physiker und notorische Technikoptimist Michio Kaku.
Sehr viel eher wird sich jedoch der "Große Bruder" der Nanotechnologie, die Mikrotechnik, in unserem Leben breitmachen wird. Sie beruht auf den gleichen Ätztechniken, die ursprünglich einmal für die Mikrochip-Herstellung entwickelt wurden. Nur daß dabei statt winzigerTransistoren winzige Sensoren und Motoren auf die Siliziumscheiben geätzt werden. Solche mikroelektromechanischen Systeme, sogenannte MEMS werden schon heute industriell gefertigt. Moderne Auto-Airbags enthalten bereits Bewegungsmelder, die nicht dicker sind als ein menschliches Haar.
Aber schon melden sich auch die Kritiker der neuen Technologie: Im Jahr 2000 sorgte Bill Joy, Mitbegründer der Computerfirma Sun Microsystems, für viel Aufmerksamkeit, als er in einem amerikanischen Magzin ein sogenanntes "Gray Goo"-Szenario entwarf. Er entwickelte das Horrorszenario von sich selbst replizierenden Nanorobotern, die eine breite Spur der Verwüstung in Form grauer Schmiere hinterlassen, nachdem sie alles Lebende in Nanosubstanzen umgewandelt haben. Und der Schriftsteller Michael Crichton thematisierte mit seinem Thriller "Die Beute" die Angst vor winzigen Nanorobotern, die sich in Schwärmen zusammenschließen und Menschen angreifen.
Für Forscher Richard Smalley ist das jedoch "eine Gespensterdebatte". Sich selbst replizierende Nano-Monster hält er physikalisch für unmöglich. "Lassen Sie uns doch lieber über die realen Chancen - und Risiken dieser Technologie diskutíeren! Die sind schon aufregend genug!"
 Volker Lange
Herausgeber und Chefredakteur von Morgenwelt, und lanjähriger Wissenschaftsjournalist für Fernsehen, Hörfunk und Print. Lehrbeauftragter für Online-Journalismus an der Freien Universität Berlin.
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