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Die spannende Zukunftswelt der Nanotechnologie

Bereits im ausgehenden 4. Jahrhundert n. Chr. wendete ein Künstler im alten Rom einen Trick an, um ein ganz besonderes Objekt zu schaffen: einen Glaskelch, der mit einer Szene aus der antiken Lycurgus-Sage verziert war. In geheimnisvoller Art und Weise ändert das Gefäß seine Farbe. Viele Jahrhunderte später untersuchten Mitarbeiter des Britischen Museums in London den Kelch und konnten ihm seine Geheimnisse entlocken. Wie sich herausstellte, beruhte der Farbwechsel-Effekt auf geschicktem Einsatz von Nanotechnologie. Doch wie war das möglich? Was ist Nanotechnologie und wo wird sie eingesetzt?

Die Nanotechnologie ist eine Wissenschaft, an der viele Wissensgebiete Anteil haben. Der Name „nanos“ leitet sich vom griechischen Wort für „Zwerg“ ab. Nanotechnologie ist die Erforschung des Allerkleinsten. Konkret spricht man von einer Anwendung aus der Nanotechnologie, wenn mindestens eine relevante Dimension kleiner als 100 Nanometer ist und durch die Verkleinerung neuartige Effekte erzielt werden können. 100 Nanometer passen 1000-mal in den Durchmesser eines Haares. Das ist unvorstellbar klein – und doch sind wir umgeben von Technik im Nanometerbereich, die sich schon lange in unser Leben eingefügt hat. Viele Teilgebiete der Wissenschaft betreiben Forschung im Nanometerbereich, denn hier verschwimmen oft die Grenzen zwischen Chemie und Physik, Materialforschung und Biologie sowie einigen anderen Gebieten.

Wievile Platz ist nach unten?

Noch vor 50 Jahren sah die Situation ganz anders aus. Im Jahr 1959 hielt der amerikanische Physiker Richard Feynman einen Vortrag, der im Nachhinein zur „Geburtsstunde der Nanotechnologie“ erklärt wird. Feynman fiel auf, dass biologische Vorgänge auf einer sehr viel kleineren Ebene ablaufen als die kleinsten Maschinen der damaligen Zeit. Er forderte in seinem Vortrag, dass man den „Platz nach unten“ noch erforschen müsste. Dann wären Technik und Wissenschaft laut Feynman in der Lage, chemische Vorgänge zu beobachten und zu verändern. Er setzte sogar einen Preis aus: Der erste Erfinder, dem es gelingen sollte, die komplette „Britische Enzyklopädie“ (das damals ausführlichste gedruckte Lexikon) auf einen Stecknadelkopf zu drucken, sollte eine Prämie erhalten. Lange Zeit konnte man sich nicht vorstellen, diese Herausforderung zu lösen, so unmöglich erschien sie. Doch 22 Jahre später gelang es tatsächlich. Das gesamte Lexikon konnte 25000-fach verkleinert mit einem Laser auf die Fläche eines Stecknadelkopfes geschrieben werden – und mit einem guten Mikroskop wieder lesbar gemacht werden!

REM-Ansicht verschiedener Pollenarten, schwarz-weiß
Nanostrukturen in der Natur

Rasterlektronenmikroskop-Ansicht verschiedener Pollenarten.

Aufbruchsstimmung in den 1980er-Jahren

Spätestens seit Mitte der 1980er-Jahre war allen klar, dass Nanotechnologie eine wegweisende Rolle in der Zukunft spielen würde. Autoren stellten sich Maschinen vor, die durch das Blut schwimmen sollten, um Körperfunktionen zu überprüfen oder  kranke Zellen direkt im Körper zu reparieren. Diese Mini-Apparate sollten auch Atome zusammensetzen können, um gänzlich neue Dinge erschaffen zu können. Mit der Zeit wurde den Wissenschaftlern aber klar, dass es doch nicht ganz so einfach werden würde. Eine Reihe wichtiger Technologien, die eine realistischere Erforschung der Nanodimensionen möglich machten, entwickelte sich in den letzten 20 Jahren gleichzeitig. Zunächst konnte man nun mit sehr viel leistungsstärkeren Mikroskopen neuer Bauart direkt die Nanodimension beobachten, vermessen und fotografieren. Dazu zählen faszinierende Erfindungen wie das Rasterelektronen-Mikroskop, welches spannende, plastische Bilder von winzigen Strukturen erzeugen kann. Ein anderes Gerät, das Rasterkraft-Mikroskop, „tastet“ mit einer feinen Messspitze die Oberfläche des zu untersuchenden Objekts ab und kann damit sogar einzelne Atome sichtbar machen! Vor nicht allzu langer Zeit konnten erstmals einzelne Moleküle, die kleiner als 1 Nanometer sind, abgebildet werden - vor und nach einer chemischen Reaktion. So konnten viele Theorien, die sich mit dem Aufbau von chemischen Strukturen beschäftigten, bestätigt oder korrigiert werden.

Tatsächliche Anwendung von Nanoeffekten

Gleichzeitig mit der Fähigkeit, immer feiner in das Innere der Materie sehen zu können, wuchs auch die tatsächliche Anwendung von Nanoeffekten. Ein Industriezweig, welcher diese Miniaturisierung stark vorantrieb, ist die Herstellung von Computerchips, sogenannten „Integrierten Schaltkreisen“ (auf Englisch IC, integrated circuit). Diese Schaltkreise bestehen aus Transistoren (winzigen elektronischen Schaltern), welche in Kombination komplexeste Rechenaufgaben übernehmen können. Das Ziel der Entwicklung ist es, möglichst viele Transistoren auf möglichst kleinem Raum unterzubringen. Ein einzelner Transistor, der im Jahr 1990 noch 800 Nanometer groß war, konnte 2000 schon in 180 Nanometer Größe herstellt werden. Für das Jahr 2016 hat ein Computerchip-Hersteller angekündigt, Transistoren in 7 Nanometer Größe bauen zu wollen. Diese Verkleinerung der Technik ist auch der Grund für die steigende Leistungsfähigkeit unserer mobilen Geräte: Heute trägt jedes Smartphone so viel Leistung in sich wie ein normaler Heimrechner vor weniger als 10 Jahren.

Mikroprozessor
Mikroprozessor

Die Nanolithographie ermöglicht eine weitere Miniaturisierung integrierter Schaltkreise.

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Sebastian Martin
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