Nano vs. Makro – ein Werkzeugvergleich

	Bild: RWTH-Aachen

Wie kann man sich eigentlich in der Welt des unfassbar Kleinen orientieren? Und kann man gezielt Atome und Moleküle bewegen? Mit dem richtigen Werkzeug geht das tatsächlich!

Wer einmal in die Werkstatt eines Dummy-Bauers geht – dort werden lebensgroße Modelle aller nur vorstellbaren Dinge für Filme und Werbespots hergestellt –, wird sich wundern, wie viele verschiedene Werkzeuge es gibt. Von manchen kennt man nicht einmal den Namen. Verglichen damit ist der „Werkzeugkasten“ des Nanotechnikers überschaubar. Einige Werkzeuge ähneln zwar ihren Verwandten aus der Makrowelt, aber sie lassen sich nie eins zu eins vergleichen.

Nehmen wir zum Beispiel das Messen. Hier hat der atomare Handwerker die größte Auswahl, was daran liegt, dass die Nanotechnik mit der Erforschung von Oberflächen begonnen hat. Physiker sind immer zuerst am Messen interessiert, Konstruieren ist dagegen etwas für Ingenieure. Im Unterschied zur Makrowelt wird aber kein Maßband angelegt. Abstände lassen sich immer nur indirekt bestimmen, indem aus einem physikalischen Effekt wie dem Tunnelstrom oder der Elektronenstreuung eine Distanz berechnet wird. Dies geschieht mit Hilfe spezieller Mikroskop-Varianten.

Zum Greifen steht dem Nanohandwerker bislang nur ein einziges richtiges  Werkzeug zur Verfügung: das Rastertunnelmikroskop. Anders als eine Zange hat es aber nicht zwei Backen, sondern nur eine Spitze, an der das Atom „kleben“ bleibt. Manchmal wird allerdings auch das Kraftmikroskop dazu benutzt, große Moleküle wie Nanotubes zu bewegen.

Wenn es um das Trennen, Schneiden und Zerteilen von Materialien geht, unterscheiden sich Nano- und herkömmliche Werkzeuge deutlich. Ein Gegenstück zu Sägen oder Messern gibt es nicht mehr. Sofern wir es noch mit „größeren“ Kristallblöcken zu tun haben, werden Muster mit Elektronen- oder Ionenstrahlen hineingeschnitten oder mit Chemikalien geätzt. In der Sphäre der Atome wird aber nicht mehr geschnitten oder gesägt – hier werden Bindungen geknackt. Auch das lässt sich mit den Rastersonden bewerkstelligen, die im wahrsten Sinne des Wortes das Schweizer Taschenmesser unter den Nanowerkzeugen sind.

Das Verbinden von Teilen mittels Schrauben, Dübeln oder Nägeln kennt kein Nanogegenstück. Wenn etwas zusammengefügt werden muss, geschieht dies über chemische Bindungen. Das können entweder Elektronenwolken sein, aber auch die elektrostatische Anziehungskraft gegensätzlich geladener Atome. Die Tatsache, dass der Zusammenhalt aus dem Baumaterial selbst kommt, entspricht vielleicht entfernt dem Schweißen.

Noch findet Nanotechnik in Laboren statt. Doch das könnte sich in den nächsten Jahren ändern. Günstige Varianten des Rastertunnelmikroskops kosten nicht mehr als ein Webserver im gehobenen Einstiegssegment, etwa zwischen 5000 und 10.000 Euro. Tüftler, für die der Weg das Ziel ist, können sich inzwischen ein Rastertunnelmikroskop selbst bauen. Eine detaillierte Bauanleitung haben Physiker um Harald Fuchs, den Leiter des Center for Nanotechnology in Münster, verfasst, die sie im Web anbieten. 

Das Zubehör kostet so viel wie ein Aldi-PC: unter 1000 Euro. Das Teuerste hieran sind die Justierschrauben für den Mikroskoptisch und die Piezokristalle, mit denen die Spitze feingesteuert wird. Die Software und genaue Schaltpläne für die Elektronik bieten die Münsteraner zum kostenlosen Download an. Einzig das Präparieren der Spitze erfordert eine gewisse Vorsicht. Der Wolframdraht wird nämlich in einem Natronlaugenbad durch Ätzen angespitzt.

Wer nach einiger Bastelei das fertige STM im Keller stehen hat, kann damit – fast wie die richtigen Nanoforscher – ins Reich der Moleküle hinabsteigen. Einen makroskopischen Gegenstand daraus zu fertigen, wird aber nicht gelingen. Außer dem Prinzip der Selbstorganisation gibt es bisher noch kein funktionierendes Nanowerkzeug, um große Strukturen zusammenzubauen.

weiter am Mittwoch: Energie satt!

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