Nanotechnologie 16.02.2001, 17:28 Uhr

Der Traum vom molekularen Schalter

Die Variation der Struktur ermöglicht mitunter eine neue Funktion. Nanowissenschaftler versuchen so, bekannte Werkstoffe mit besseren Eigenschaften auszustatten. Bemerkenswerte Ergebnisse präsentierten die Experten eines NRW-Forschungsverbunds jetzt bei ihrem Abschlusstreffen.

Mit der Entwicklung des Rastertunnelmikroskops hat sich den Naturwissenschaftlern ein bis dahin ungeahnt vielfältiges Forschungsfeld geöffnet – die Nano-Welt. So arbeiten zum Beispiel Chemiker und Physiker in aller Welt an der Verkleinerung von Computer-Chips. Diese funktionieren noch immer nach dem Prinzip des Transistors, bei dem für jeden Schaltvorgang hunderttausende von Elektronen bewegt werden. „Wir aber wollen einen elektrischen Schalter entwickeln, der von einem einzigen Elektron gesteuert wird – einen Schalter von molekularer Größe“, erklärt Prof. Günter Schmid von der Uni Essen. Wann er ein solches Bauteil erstmals in Händen halten wird, weiß der Chemiker noch nicht, doch er ist überzeugt, die Voraussetzungen für winzige Speicherelemente, die zudem schneller und präziser arbeiten würden, in seinen Labors schaffen zu können.
Drei Jahre lang haben Chemiker, Physiker und Ingenieure im Forschungsverbund Nanowissenschaften des Landes Nordrhein-Westfalen die Köpfe zusammengesteckt, um fachübergreifend Nanomaterialien auf neue mögliche Anwendungen hin zu prüfen. Beteiligt waren Arbeitsgruppen der RWTH Aachen, der Universitäten von Bielefeld, Bonn, Essen und Münster sowie die dortige FH. Sie alle verfügen über spezielle Erfahrungen in Fragen der Nanotechnologie, die sich mit kleinsten Strukturen – ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter – befassen.
Im Automobilbau, bei Lebensmittelkontrollen, in der Sensorik oder der medizinischen Diagnostik – Nanostrukturen erobern sich allmählich ihre Einsatzfelder. „Durch Nanostrukturierung und gezielte Veränderungen im Molekül können wir interessante neue Materialien herstellen“, meint Prof. Harald Fuchs, Sprecher des Forschungsverbunds. So garantieren etwa Nano-Cluster in Farben hervorragende optische Eigenschaften, ohne dabei wie herkömmliche organische Farbstoffe auszubleichen. Gespannt wartet man noch auf den ersten selbstreinigenden Pkw, an dessen Lack Wasser und Schmutz abperlen wie bei Vogelfedern. „Zumindest Autoscheiben aber könnte man schon bald so präparieren, dass sie sich selbst reinigen“, ist Fuchs überzeugt.
Kann Nanotechnologie auch ökologisch sein? Fuchs glaubt fest daran und rechnet vor, wie sich erheblich Strom sparen ließe. „Weltweit laufen etwa 100 Mio. PC mit rund 10 Mio. kW – bei einem angenommenen Stromverbrauch von 100 W/PC. „Das heißt, dass weltweit 50 Kraftwerke arbeiten, nur um unsere Computer zu betreiben“, so Fuchs. „Diesen Strombedarf könnte die Nanotechnologie drastisch reduzieren, wenn zum Beispiel die Leiterbahnen nur noch wenige Moleküle breit sind. Dann würde nur noch extrem wenig Strom benötigt.“
Grundlagen dazu liefert auch das Team um Günter Schmid in Essen. Dort will man Computer-Chips aus Gold-Clustern bauen. „Solche Chips wären kleiner, schneller und präziser als die üblichen Silizium-Chips, bei denen für einen einzigen Schaltvorgang rund 100 000 Elektronen bewegt werden müssen“, erklärt Schmid. Bei seinen aus 55 Atomen bestehenden Gold-Clustern genügt pro Schaltvorgang ein einziges Elektron – vorausgesetzt, die Cluster sind regelmäßig zweidimensional angeordnet.
Sind Nano-Cluster dann also die Computer-Bausteine der Zukunft? „Das könnte schon sein“, meint der Chemiker, „doch wann es wirklich gelingt, wissen wir nicht.“ Noch hält sich sein Team mit der Grundlagenforschung auf. „Der Cluster aus 55 Goldatomen ist derzeit unser Lieblingskind“, schwärmt Schmid.
Zusammen mit dem Niederländer Cees Dekker von der Technischen Universität Delft gelang Schmid der Nachweis, dass ein elektrischer Schaltvorgang tatsächlich mit nur einem einzigen Elektron möglich ist. Sie hatten einen Nano-Cluster aus Palladium zwischen zwei Platinelektroden fixiert und eine Spannung daran angelegt. Es zeigte sich, dass ein Elektron nur bei einer ganz bestimmten Temperatur von der Elektrode auf das Clusterteilchen übertritt und entsprechend erst unter bestimmten Bedingungen wieder abgegeben wird. „Der Strom steigt nicht mit steigender Spannung gleichmäßig an, sondern es findet ein Schaltvorgang mit einem einzigen Elektron statt, was dem denkbar kleinsten elektrischen Schalter entspricht“, erklärt Schmid.
Aber auch in der Sensorik und medizinischen Diagnostik gehen die Entwicklungen mit Siebenmeilenstiefeln voran. „Das Lab-on-a-chip wird bald zum Massenprodukt in vielen tausend Varianten“, prophezeit Fuchs. Dann könne man den ultimativen Gesundheits-Check in der Apotheke kaufen. DNA-Detektoren, Biosensoren und elektronische Nasen wiederum fischen aus großen Gemischen einzelne Moleküle heraus. BETTINA RECKTER

Von Bettina Reckter
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