Selbstorganisation - Konstruktionsmethode der Zukunft?

In allen Visionen und Lobgesängen zur Zukunft der Nanotechnologie wird eine wichtige Frage bestenfalls vage beantwortet: Wie stellt man nanometerkleine Werkstücke eigentlich her?

Traditionell: Ätzen, Schneiden, Sägen

Herstellung nach traditionellem Rezept: Computerchips.

Bisher folgte die Herstellung kleinster Strukturen einem einfachen Rezept: Man nehme einen großen Block und säge, schneide und ätze solange an ihm herum bis das Werkstück die richtige Form hat. Diese Strategie – von den Fachleuten Top-to-Bottom-Verfahren genannt – war in der Vergangenheit sehr erfolgreich. Computer-Chips werden zum Beispiel so hergestellt. Allerdings gibt es für dieses Verfahren eine Grenze: Selbst mit allen technischen Kniffs und Tricks lassen sich keine Werkstücke erzeugen, die kleiner als 50 Nanometer sind - jedenfalls nicht in großer Zahl. Hier treten die Verfechter einer anderen Methode auf den Plan: Sie wollen Nanoprodukte Atom für Atom zusammen setzen.

Von unten nach oben: Atom für Atom

Von unten nach oben: Mit einer extrem feinen Spitze können Atome herumgeschoben werden.

Seit der Erfindung des Rastertunnelmikroskops durch Gerd Binnig 1981 hat man das geeignete Werkzeug, um Atome und Moleküle zu manipulieren. Forschern an der Freien Universität Berlin ist es kürzlich sogar gelungen, mit dem Rastertunnelmikroskop einzelne chemische Bindungen aufzubrechen und andere neu zu schließen. Diese Methode hat aber einen entscheidenden Nachteil: Sie ist sehr langsam. Selbst kleine Nanopartikel enthalten meist einige Zehn bis Hundert Atome. Diese zusammenzusetzen braucht viel Zeit.

Elegant: Selbstorganisation

Selbstorganisation: Plastikmoleküle, mit besonderen Eigenschaften versehen, ordnen sich zu regelmäßigen Gittern an.

Ausweg könnte ein sehr elegantes Verfahren sein: die Selbstorganisation. Das Prinzip: Man wirft die Einzelteile zusammen in einen Topf rührt um und die Einzelteile bauen sich von selbst zusammen. Dieses Verfahren funktioniert natürlich nur, wenn die Bausteine – also Atome oder Moleküle – richtig vorbereitet sind. Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Polymerforschung in Mainz versuchen dies, in dem sie künstliche Plastikmoleküle mit besonderen Eigenschaften herstellen. Werden deren Enden so präpariert, dass sie elektrisch geladen sind oder chemisch reaktiv, dann ordnen sie sich von selbst zu regelmäßigen Gittern an - der erste Schritt zu nanofeinen Drähten.

Selbstorganisation: Auf eine Unterlage aufgedampft, ordnen sich Atome zu absolut regelmäßigen Pyramiden.

Einen anderen Weg beschreitet eine Forschergruppe um Prof. Bimberg an der technische Universität Berlin: Die Wissenschaftler dampfen Atome auf eine Unterlage auf. Innerhalb von wenigen Sekunden ordnen sich die Atome zu absolut regelmäßigen Pyramiden mit eine Höhe von 5 Nanometern an, und zwar mehreren Millionen pro Quadratzentimeter. Der Effekt beruht auf der Wechselwirkung zwischen aufgedampften Atomen und Unterlage. Die Pyramiden sind Teil eines neuen, höchst effektiven Lasers.

Der beste Selbstorganisierer ist allerdings mit großem Abstand die Natur: Pflanzen, Menschen, Tiere entstehen schließlich ohne einen Konstrukteur und ohne Werkzeug.