03.09.2015
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wissen.de Artikel

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.

Experimentierkasten Nanotechnologie von Kosmos
Experimentierkasten Nanotechnologie. Neu!

Überraschende Effekte der Nano-Welt erforschen!

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Die Natur mach es vor

Vor allem im Bereich der Materialwissenschaften gab es viele Entdeckungen, als man begonnen hat, Materialien im Nanobereich zu erzeugen. Einer der bekanntesten Effekte kommt aus der Natur: Die wasserabweisende Lotus-Seepflanze war das Vorbild für die Erzeugung von extrem wasserabweisenden Oberflächen. Diese Anwendung von Nanotechnologie wird kommerziell eingesetzt. Zu Beginn der Erforschung dieses „Lotuseffekts“ ging man davon aus, dass die Pflanze eine besonders glatte Oberfläche haben müsste, von der Wasser und andere Flüssigkeiten einfach abperlen. Doch mit Hilfe leistungsstarker Mikroskope konnte das Geheimnis der Lotuspflanze gelüftet werden. Eine spitze Struktur aus einer Art Wachs bedeckt die Blätter. Die Pflanze war alles andere als glatt! Auf der Größenebene dieser Nanospitzen sind Wassertropfen immens viel größer als die Oberflächenstruktur, sodass das Wasser nicht zwischen die Spitzen laufen kann. Stattdessen perlt es einfach ab. Eine solche Oberfläche kann man inzwischen auch chemisch erzeugen und damit Materialien vor Verschmutzung schützen. Manchmal werden diese Materialen auch als „selbst-reinigend“ bezeichnet, da das abperlende Wasser Schmutz gleich mit abwäscht. Für Autoscheiben, Duschen, Dachziegel oder sogar Kleidung ist diese Nanobeschichtung erhältlich.

Veränderte Oberflächen sind auch auf Solarzellen sinnvoll. Normalerweise wird ein Großteil des Sonnenlichtes, das auf eine Solarzelle trifft, wieder davon weg gespiegelt. So sinkt der Anteil des Sonnenlichtes, welcher in Strom umgewandelt werden kann. Diese Spiegelung kann verhindert werden, indem man Pyramiden oder Höcker mit wenigen Nanometern Höhe auf die Solarzellen aufbringt. Nun wird ein Teil des Lichts in die Zelle hinein gespiegelt. Der Wirkungsgrad steigt damit; es kann bei gleicher Einstrahlung mehr Strom erzeugt werden. Solarzellen können so dünn sein, dass sie sogar durchsichtig werden. In wenigen Jahren könnte es damit möglich werden, dass einfach alle Fensterflächen zur Energieerzeugung eingesetzt werden und man nicht mehr nur auf Dächern Solarzellen anbringt.

REM-Aufnahmen einer Kohlenstoffnanoröhre
Kohlenstoffnanoröhre

Die Rasterelektronenmikroskop-Aufnahme zeigt ein Röhrchen, dessen Durchmesser etwa ein Fünftel so groß ist, wieder der eines menschlichen Haares.

Neue Favoriten

Kleine „Helden“ der Nanoforschung sind sogenannte Nanoröhrchen und ihre Verwandten, die „Buckyballs“. Beides sind Objekte aus Kohlenstoff: Röhren und Bälle, die nur wenige Nanometer groß sind. Sie haben interessante Eigenschaften. Bringt man Nanoröhren aus Kohlenstoff etwa in Stahl ein, erhöht sich dessen Zugfestigkeit um ein Vielfaches! In Kunststoff lässt sich mit der Zugabe von Nanoröhren die Bruchfestigkeit verbessern. Dies ist natürlich sinnvoll, um haltbare Materialien herstellen zu können. Gerade in der Industrie oder bei Autos gehen Maschinen aus solchen Materialien seltener kaputt. Auch in der Medizin will man die Kohlenstoff-Bällchen einsetzen, etwa zur Behandlung von Krebs. Hierbei versucht man, magnetische Nanoteilchen in die Krebszellen einzuschleusen, um sie anschließend von außen zum Vibrieren zu bringen. So können die Nanoteilchen die kranken Zellen von innen zerstören, ohne gesundes Gewebe zu beschädigen. Vielleicht lassen sich auch Medikamente mit Hilfe von Kohlenstoff-Bällen verpacken und somit zielgenauer in den Körper bringen.

Risiken und Nebenwirkungen

Genau erforscht ist der Effekt von Nanoteilchen im Körper noch nicht. In einigen Sonnencremes ist heute z.B. der chemische Stoff Titandioxid enthalten, der auch in Nanogröße vorkommen kann und die UV-Strahlen der Sonne reflektieren soll. Man weiß nicht, ob diese Nanoteilchen in den Körper gelangen und wenn ja, ob sie schädlich wirken. Wer sich unsicher ist, sollte auf die Verwendung von titandioxidhaltigen Kosmetika und Cremes verzichten – eine Studie des Bundesministeriums für Risikobewertung ergab auch, dass die Mehrheit der Menschen dem Einsatz von Nanotechnologie in Lebensmitteln und Kosmetika ablehnend gegenübersteht.

Es bleibt spannend

Es gibt also noch viele Chancen für die Nanotechnologie: immer schnellere Computertechnik, fortschrittliche Displays, schnell-ladende Akkus oder besonders widerstandsfähige Lacke für Autos. Vielleicht kann man in naher Zukunft auch Tumore mit fortschrittlicheren Behandlungsmethoden auf der Basis von Nanotechnologie bekämpfen. Doch die Risiken vor allem in körpernaher Anwendung müssen untersucht und kontrolliert werden. Es bleibt spannend.

Der Kelch des Lycurgus hat übrigens die spannende Eigenschaft, dass er im normalen Licht grün schimmert, beim Durchleuchten aber plötzlich rot glüht! In dem Glas des Kelches befinden sich Goldpartikel in Nanometergröße, die für den Farbwechsel verantwortlich sind. Nicht schlecht für ein Kunstwerk aus dem 4. Jahrhundert. Der Kelch steht heute in London, wo er Besucher immer noch fasziniert.

Sebastian Martin