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Feinmechanik vom Kleinsten

Nanogeräte speichern Daten und spüren Biomoleküle auf

Von Rainer Scharf

Nicht nur in der Halbleiterelektronik gilt das Motto "Je kleiner, desto besser". Auch vor mechanischen Geräten hat die Miniaturisierungswelle nicht haltgemacht. Mittlerweile können einzelne Atome und Moleküle wie Billardkugeln manipuliert, geringste Bindungskräfte gemessen und Längen sowie Abstände von wenigen millionstel Millimetern präzise bestimmt werden. Den neuesten Entwicklungen in diesem Zweig der Nanotechnik widmete sich kürzlich eine Tagung am Forschungszentrum "Caesar" in Bonn.

Im Forschungsprogramm von "Caesar", dem 1995 mit Bundes- und Landesmitteln gegründeten "Center of Advanced European Studies and Research", bildet die Nanotechnik einen der großen Schwerpunkte. Hier werden unter anderem extrem empfindliche Sensoren zum Nachweis biologischer Substanzen entwickelt sowie neue intelligente Werkstoffe ersonnen, die magnetische und elektrische Energie oder Wärme in mechanische Energie umwandeln und umgekehrt. Im Frühjahr haben die 160 Mitarbeiter von "Caesar" einen architektonisch auffälligen Glasbau an den Bonner Rheinauen bezogen. Zur großzügigen Ausstattung gehört unter anderem ein Reinraum, der extrem sauberes Arbeiten erlaubt und in Bonn neue Forschungsmöglichkeiten eröffnet hat. So verwundert es auch nicht, daß die erste Tagung im neuen Domizil den Mikro- und Nanosystemen gewidmet war.

Die Erfindung des Rastertunnelmikroskops um 1985 markiert den Beginn der Nanotechnik. Mittlerweile sind diese Instrumente zu einem unverzichtbaren Werkzeug für jene Wissenschaftler geworden, die sich mit nur wenigen Nanometer großen Objekten beschäftigen. Mit ihren feinen Spitzen ist es möglich, Atome und Moleküle auf Oberflächen sichtbar zu machen, sie zu ergreifen und umherzubewegen. In den vergangenen Jahren haben sich zum Rastertunnelmikroskop eine Reihe ähnlicher Instrumente hinzugesellt, mit denen man die Oberfläche unterschiedlichster Materialien nach Belieben manipulieren und strukturieren kann.

Mit einer heißen Mikroskopspitze lassen sich beispielsweise nanometergroße Vertiefungen in eine dünne Plastikschicht pressen und auf diese Weise binäre Informationen dauerhaft speichern. Denn jede Vertiefung entspricht genau einem Bit. Mit diesem Verfahren können enorme Speicherdichten von etwa zweihundert Millionen Bit pro Quadratzentimeter erzeugt werden, wie Peter Vettiger vom Schweizer IBM Forschungslabor in Rüschlikon berichtete. Mit nur einer einzigen Spitze dauert das Schreiben und Lesen allerdings etwa tausendmal so lang wie bei magnetischen Datenspeichern.

Deshalb haben die Forscher um Vettiger eine zweidimensionale Anordnung von 1024 Spitzen ersonnen, die gleichzeitig auf der Kunststoffplatte schreiben. Jede Spitze dieses "Tausendfüßlers" oder "Millipeden", wie die Wissenschaftler ihr System bezeichnen, bearbeitet dabei ein Speicherfeld von einem zehntel Quadratmillimeter. Zum Speichern werden die Spitzen auf 400 Grad erhitzt, damit der Kunststoff schmilzt. Zum Auslesen genügen schon 300 Grad. Bei dieser Temperatur schmilzt der Kunststoff nicht. Die Spitzen registrieren, wie schnell die Wärme von dem Kunststoff abgeleitet wird. In einer Vertiefung vollzieht sich das so rasch, daß kurzzeitig die Temperatur in der Spitze sinkt. Diese Veränderung reicht aus, die Vertiefungen und damit die Datenpunkte zu registrieren.

Seit das Gerät vor einem Jahr erstmals der Öffentlichkeit vorgestellt wurde, hat sich der Millipede so gut im Labor bewährt, daß die Forscher von IBM jetzt nach diesem Prinzip den Prototyp eines voll funktionsfähigen Datenspeichers bauen. Der schnelle Tausendfüßler könnte sich zudem in der Chipherstellung und bei der Untersuchung großer Oberflächen nützlich machen, erklärte Vettiger.

Daß man mechanische Nanosysteme auch für die Zellbiologie nutzen kann, demonstrierte Michael Roukes vom California Institute of Technology in Pasadena. Er und seine Mitarbeiter haben eine Anordnung winziger Balken aus Siliziumkarbid hergestellt, mit der man beispielsweise einzelne Moleküle wiegen und winzige Bindungskräfte registrieren kann. Jede der hundert Nanometer breiten und rund einen Mikrometer langen Stimmgabeln ist an ihren Enden in einem Halbleiterchip befestigt sowie mit Aluminium verdrahtet. Werden die Federbalken einem starken Magnetfeld ausgesetzt und von elektrischem Strom durchflossen, so beginnen sie mit einer Frequenz von einem Gigahertz zu schwingen.

Zum Messen einer winzigen Masse nutzt man den Umstand, daß sich die Schwingungsfrequenz der Nanobalken geringfügig ändert, wenn sich Atome oder Moleküle darauf setzen. Schon jetzt ist das Instrument so empfindlich, daß sich einzelne Goldatome registrieren lassen. Roukes will die Empfindlichkeit des Verfahrens so weit steigern, daß sogar der Nachweis einzelner Wasserstoffatome in Sekundenbruchteilen möglich ist. Ein einzelner kleiner schwingender Balken könnte dann die aufwendigen Flugzeitmassenspektrometer ersetzen, die man bisher für diese Zwecke nutzt.

Mit den schwingenden Nanobalken lassen sich auch die Bindungskräfte zwischen biologischen Wirkstoffmolekülen und Rezeptoren messen. Dazu fixiert man die Federbalken nur an einem Ende. An das andere, frei schwebende Ende heftet man den Wirkstoff. Bindet der Wirkstoff nun an einen Rezeptor, wird der schwingende Nanobalken in seiner Beweglichkeit behindert, wodurch sich die Schwingungsfrequenz ändert. Je größer die Änderung, desto stärker ist die Bindungskraft zwischen den Biomolekülen. Integriert man Tausende solcher Balken auf einem Chip, so könnte man einen einzelnen Wirkstoff mit Tausenden von Rezeptoren zugleich konfrontieren. Schädliche Substanzen ließen sich somit schnell nachweisen. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 16.07.2003, Nr. 162 / Seite N2

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