Maschinenbau im Nanomaßstab
Die Nanotechnologie vereint die unterschiedlichsten Ideen. Visionäre reden von den Möglichkeiten, Ingenieure und Wissenschaftler von machbaren Konzepten. Zwischen den Parteien klafft eine Kluft.
Wenn Ralph Merkle stirbt, wird er nicht einfach tot sein. Er wird warten. Eingefroren in flüssigem Stickstoff, bei minus 196 °C. Eines Tages, davon ist Merkle überzeugt, wird man ihn auftauen. Dann schwärmen winzige Roboter in sein Gehirn aus, reparieren Zellen und stellen neurale Verbindungen wieder her.
Der amerikanische Nanoforscher ist Verfechter der „Extropie“-Bewegung. Ihr gehören radikale Zukunftoptimisten an, die hoffen, mit Hilfe der Technik eines Tages die Grenzen des Menschseins überwinden zu können. Sie glauben nicht an Gott, sie glauben an Nanotechnologie.
Kein anderes Forschungsgebiet, mit Ausnahme vielleicht der Biotechnologie, weckt so hochfliegende Hoffnungen wie die Nanotechnologie. Da wird einerseits aufgebauscht, maßlos übertrieben. Da weist die Forschung andererseits schon Fortschritte auf, die wie Science-Fiction anmuten.
Nanotechnologie ist Technik im Maßstab von Atomen, im Bereich von einem bis 100 Nanometer. Ein Nanometer entspricht der Länge von zehn Wasserstoffatomen. Bisherige Technologie wurde „von oben nach unten“ entwickelt, von großen zu immer kleineren Strukturen. Auf Verkleinerung der Bauelemente beruht zum Beispiel die Herstellung von Computer-Chips. Die kleinsten Bauelemente sind heute nur knapp hundert Nanometer groß.
Die Nanotechnik sucht den Weg von „unten nach oben“ – sucht Methoden, um aus einzelnen Atomen größere Strukturen herzustellen. Der Schlüsselbegriff lautet self assembly, Selbstorganisation. So organisieren sich bestimmte Kohlenstoff-Moleküle, so genannte Buckyballs, unter bestimmten Bedingungen zu winzigen Röhrchen. Je nach Anordnung der Atome wirken diese isolierend, leitend oder sogar halbleitend. Eine Vielfalt von Anwendungsmöglichkeiten lockt – Flachbildschirme zum Beispiel oder Computerchips. Bisher blockieren jedoch ihre aufwändige Herstellung und ihr Preis – ein Gramm Röhren kosten 1000 DM bis 2000 DM – die breite Anwendung.
In vielerlei Hinsicht steckt die neue Technologie noch in den Kinderschuhen. In der Nanowelt herrschen andere Gesetze als im Makrobereich – die der Quantenphysik. In dieser Welt rechnen Forscher mit Sprungwahrscheinlichkeiten von Elektronen. Van-der-Waals- und Coulomb-Kräfte bekommen einen Einfluss, wie man ihn aus dem Makrobereich nicht kennt. „So etwas kann so manchem traditionell ausgebildeten Wissenschaftler schon mal den Schweiß auf die Stirn treiben“, sagt Stefan Reschke, Nanoforscher vom Frauenhofer Institut in Euskirchen.
„Tunneleffekte“ zum Beispiel lassen Nanowissenschaftler bei der Chipforschung an ihre Grenzen stoßen. Elektronen „durchtunneln“ die Trennschichten in Transistoren, so dass die Leiterbahnen quasi kurzgeschlossen werden. Ein Ausweg könnten Nano-Chips sein, die statt Silizium Kohlenstoffverbindungen nutzen – nicht breiter als wenige Nanometer.
In seinem Vortrag „There“s plenty of room at the bottom“ (Es ist noch viel Platz da unten) sprach der Physiker und spätere Nobelpreisträger Richard Feynman 1959 die molekulare Technik erstmals an: „Soweit ich sehen kann, sprechen die Gesetze der Physik nicht dagegen, Dinge Atom für Atom zu bauen.“ Feynman stellte winzige Roboter in Aussicht, die kranke Körperzellen reparieren könnten. „Chirurgen zum Schlucken“, nannte sie Feynman.
Die Maschine, die Krebszellen im menschlichen Körper vernichten, das Gehirn von Ralph Merkle reparieren und sich selbst reproduzieren kann, ist der „universelle Assembler“ – so etwas wie der heilige Gral der Visionäre. Gebaut hat ihn freilich noch niemand.
Solche hauptsächlich aus den USA stammenden Visionen und Bemühungen nimmt die hiesige Nano-Szene erstaunt bis belustigt auf. „Wie will man die Energie für solche Maschinen erzeugen?“, fragt Harald Fuchs, Professor für Physik in Münster. Bisherige Versuche, nach dem Vorbild der Natur rotierende Moleküle – so genannte ATPasen – als Antrieb oder Energielieferanten zu nutzen, gingen über Computersimulationen nie hinaus.
Fuchs ist Koordinator des Kompetenzzentrums für Nanoanalytik. Insgesamt sechs dieser Zentren wurden 1998 vom Bundesforschungsministerium eingerichtet: Virtuelle Institute, in denen Forscher und Unternehmen zusammenarbeiten. Experimentiert wird mit neuartigen Bauelementen, Werkstoffen und Designs.
In die deutsche Forschung fließen jährlich schätzungsweise 170 Mio. DM Fördermittel. Was die finanzielle Ausstattung betrifft, reicht diese zwar für eine Spitzenposition in Europa, mit den USA jedoch kann Deutschland nicht mithalten. Im letzten Jahr seiner Amtszeit stellte Bill Clinton 420 Mio. DM für die Forschung auf dem Gebiet der Nanotechnologie zur Verfügung. Das Ziel: Die Technologieführerschaft innerhalb der nächsten fünf Jahre.
Glaubt man Experten, so ist die Nanotechnologie eine der wichtigsten Innovationsquellen des 21. Jahrhunderts. Entsprechend euphorisch sind die Erwartungen. „Die Nanotechnologie könnte Wissenschaft und Gesellschaft revolutionieren“, sagt Norbert Malanowski, vom Technologiezentrum des VDI in Düsseldorf. ELKE BODDERAS
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