Hintergrund 

F.A.Z. v. 9.2.2000

Mit Riesenschritten in die molekulare Welt

Manipulation von einzelnen Atomen / Bauelemente aus Quantenpunkten und Nanodrähten / Von Rainer Scharf

Lange war es unklar, ob man jemals einzelne Atome oder Moleküle würde beobachten oder gar manipulieren können. Erst mit dem Rastertunnelmikroskop, für dessen Erfindung die Wissenschaftler Gerd Binnig und Heinrich Rohrer 1986 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet wurden, ist dieses Ziel erreicht worden. Mittlerweile ist dieses Mikroskop zu einem unverzichtbaren Werkzeug für Wissenschaftler geworden, die sich mit nur wenige Nanometer (Milliardstel Meter) großen Objekten beschäftigen. Mit Beginn des 21. Jahrhunderts wollen Physiker, Materialwissenschaftler, Chemiker und Molekularbiologen stärker als bisher zusammenarbeiten, um die "Nanowelt" - so genannt nach Nanos, dem griechischen Wort für Zwerg - noch besser als bisher zu beherrschen. Vom aktuellen Stand und von künftigen Entwicklungen auf dem Gebiet der Nanotechnik haben Wissenschaftler aus aller Welt auf dem "First International Symposium on Interdisciplinary Nanoscience" berichtet, das kürzlich von der Universität Hamburg veranstaltet wurde.

Grenzen der Miniaturisierung

In den vergangenen Jahren haben sich dem Rastertunnelmikroskop eine Reihe ähnlicher Instrumente hinzugesellt, mit denen sich Oberflächen im Detail untersuchen lassen. Dazu führt man eine Abtastnadel in winzigen Schritten dicht über das Objekt. Trifft die Spitze auf ein hervorstehendes Atom oder Molekül, erfährt die Nadel eine Kraft, oder es ändern sich ihre elektrischen und magnetischen Eigenschaften. Auf diese Weise ermitteln die Wissenschaftler die genaue Lage und die Art des Objekts. Darüber hinaus können sie mit der Nadel einzelne Atome und Moleküle verschieben. Wie Russell Taylor von der University of North Carolina berichtete, ist die dazu nötige Kraft mit einem so genannten Nano-Manipulator sogar spürbar. Zunächst tastet die Spitze des Rastersondenmikroskops die zu untersuchende Oberfläche ab, von der ein Computer dann ein dreidimensionales Bild erzeugt. Mit einem Griffel, der von Hand geführt wird, kann man die Spitze exakt positionieren und einzelne Moleküle gezielt verschieben. Dabei muss man mit dem Griffel einen Widerstand überwinden, wodurch die Illusion entsteht, man könne mit bloßen Händen in das molekulare Geschehen eingreifen.

Für den Nobelpreisträger Klaus von Klitzing vom Max-Planck-Institut für Festkörperforschung in Stuttgart sind die Grenzen der Miniaturisierung noch längst nicht erreicht. So kann man beispielsweise durch das Aufdampfen von Atomen mittlerweile Schichten von wenigen Atomlagen Dicke herstellen. Darin lassen sich mit lithographischen Verfahren Strukturen erzeugen, die nur einige zehn Nanometer groß sind. Damit sind in den letzten Jahren zahlreiche neue elektronische und elektrooptische Bauelemente wie die Resonanztunneldiode und der Quantenkaskadenlaser entwickelt worden.

Die rasch fortschreitende Miniaturisierung in der Elektronik wird es aber bald erforderlich machen, Halbleiterchips mit noch feineren Strukturen herzustellen. Phaedon Avouris vom IBM-Forschungszentrum in Yorktown Heights wies in Hamburg darauf hin, dass in den Schaltkreisen quantenmechanische Effekte auftreten, die den Stromfluss stören, wenn die Leiterbahnen kürzer als sieben Nanometer oder dünner als zwei Nanometer sind. Künftig werden deshalb neuartige Strukturen aus halbleitenden Materialien erforderlich sein.

Als viel versprechende Strukturen werden die so genannten Quantenpunkte angesehen. Wenn man mehrere solcher winzigen zylindrischen Strukturen aus einem halbleitenden Material miteinander koppelt, haben sie elektrische Eigenschaften, die denen eines Moleküls ähneln. Auf einem Quantenpunkt können wegen der elektrostatischen Abstoßung immer nur wenige Elektronen Platz finden. Gelänge es, das magnetische Moment einzelner Elektronen auf gekoppelten Quantenpunkten hinreichend lange zu isolieren und gegen störende Umwelteinflüsse abzuschirmen, ließe sich vielleicht auf diese Weise ein so genannter Quantencomputer realisieren.

Wie bei Quantenpunkten werden auch bei Nanodrähten die physikalischen Eigenschaften durch die Zahl der Atome beeinflusst. So hängt das elektrische Verhalten eines winzigen Drahtes aus aneinander gereihten Kohlenstoffatomen empfindlich davon ab, ob dieser aus einer geraden oder ungeraden Zahl von Atomen besteht. Außerdem ist entscheidend, wie er mit den Elektroden verbunden ist, an denen die elektrische Spannung anliegt. Trotz dieser Hindernisse ist es Phaedon Avouris und seinen Mitarbeitern vom IBM-Forschungszentrum in Yorktown Heights gelungen, molekulare Feldeffekttransistoren herstellen, bei denen zwei Goldelektroden durch eine Kohlenstoffnanoröhre verbunden sind. Der Strom, der durch die Nanoröhre fließt, kann mit einer Siliziumelektrode gesteuert werden. Avouris räumte allerdings ein, dass die Schalteigenschaften dieses Bauelements noch nicht ausgereift sind. Ein zusätzliches Hindernis, das der wirtschaftlichen Nutzung solcher Transistoren entgegensteht, sei die Tatsache, dass man bisher nur Gemische von Nanoröhren mit sehr unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften herstellen könne.

Materialien mit maßgeschneiderten Eigenschaften haben es Donald Fitzmaurice von der Universität von Dublin angetan. Der Forscher hat Atomcluster und Nanokristalle mit organischen Molekülen verbunden, deren Verhalten sich steuern lässt. Dadurch sollte es künftig möglich sein, komplizierte Verbände solcher Kristalle "programmiert" aufzubauen. Die Forscher um Fitzmaurice steuern zum Beispiel, wie sich vier Nanometer große Goldpartikeln, die mit dem schwefelhaltigen Kohlenwasserstoff Dodekanthiol überzogen sind, auf einer geeigneten Unterlage abscheiden. Die Teilchen bilden flächige oder kugelförmige Aggregate, abhängig davon in welchem Lösungsmittel sie sich befinden. In den meisten Fällen kann man allerdings noch nicht genau vorhersagen, wie sich die Nanokristalle anordnen und welche optischen und elektrischen Eigenschaften das entstehende Aggregat hat.

Biologie als Vorbild

Dank der Halbleitertechnik sind nicht nur Schaltkreise, sondern auch Motoren und Getriebe miniaturisiert worden. Doch diese Konstruktionen sind noch sehr grobschlächtig im Vergleich zu den molekularen Motoren, die im Laufe der Evolution entstanden sind. Toshio Yanagida von der Universität von Osaka berichtete über Untersuchungen an molekularen Motoren in lebenden Zellen. So haben Messungen mit einem Rastersondenmikroskop ergeben, dass sich die für die Muskelkontraktion zuständigen Myosinmoleküle in Schritten von etwa fünf Nanometern längs der Proteinfäden der Muskeln voranbewegen. Dabei können die Eiweißmoleküle "versehentlich" auch einmal einige Schritte zurück laufen.

Wie in Hamburg deutlich wurde, arbeiten schon viele Nanowissenschaftler interdisziplinär. So versuchen Physiker und Materialwissenschaftler, aus biochemischen Prozessen zu lernen. Molekularbiologen analysieren die Vorgänge in Zellen nicht mehr nur unter chemischen Gesichtspunkten, sondern widmen sich in wachsendem Maße auch physikalischen Fragen. Diese zunehmend interdisziplinäre Arbeitsweise müsse sich auch in der Ausbildung der Studenten niederschlagen, war die einheitliche Meinung der Tagungsteilnehmer. Überkommene Fakultätsgrenzen dürften kein Hindernis mehr sein für die Vergabe von fächerübergreifenden Diplom- und Doktorarbeiten. 
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