Auf die Größe kommt es an

Klaus Taschwer | aus HEUREKA 3/04 vom 09.12.2004

Was genau unter Nanotechnologie zu verstehen ist, darüber scheiden sich die Geister. Nichtsdestotrotz werden mittlerweile jährlich Milliarden in ihre Erforschung gesteckt, denn die kleinen Partikel schüren große Erwartungen. Und in etlichen Produkten ist bereits Nano drin, ohne dass es draufsteht.

Vorstoß ins Allerkleinste. "In dieser Arbeit fehlt im Grunde jede konzeptuelle Diskussion, ganz zu schweigen von einer konzeptuellen Neuigkeit." Der Redakteur des Wissenschaftsjournals war alles andere als angetan vom Artikel, den ihm zwei Forscher des IBM-Labors in Rüschlikon bei Zürich geschickt hatten. Wie man sich täuschen kann. Denn was die beiden Physiker Gerd Binnig und Heinrich Rohrer 1981 zur Publikation einreichten, sollte sich als eine der folgenreichsten Entdeckungen der jüngeren Wissenschaftsgeschichte herausstellen - und als Meilenstein auf dem Weg zur Nanotechnologie.

Binnig und Rohrer wollten eigentlich den so genannten "Tunneleffekt" (siehe Kasten ab S. 4) untersuchen, also wie - vereinfacht ausgedrückt - elektrischer Strom durch ein Vakuum fließt. Dazu hatten sie eine völlig neue Art von Mikroskop entwickelt, das im Unterschied zum Elektronenmikroskop nicht nur Bilder in atomarer Auflösung liefern, sondern auch die Höhenunterschiede einer Oberfläche im atomaren Bereich darstellen konnte. Die beiden erhielten dafür 1986 den Nobelpreis. Im selben Jahr konstruierte Binnig mit Kollegen das erste Kraftmikroskop, das nach etwas anderen Prinzipien arbeitet - und hatte damit die beiden bis heute wichtigsten Instrumente der Nanotechnologie mitgeschaffen.

Mehr als 15 Jahre danach findet der deutsche Forscher pathetische Worte für das, was er mit seinen Entdeckungen ausgelöst hat: "Der Mensch ist in diesem Moment Zeitzeuge und Gestalter einer zweiten Genesis, einer grundlegend neuen Evolution von materiellen Strukturen, die wir heute noch nicht einmal richtig benennen können." Mit seiner Euphorie ist Gerd Binnig nicht allein. "Die Nanotechnologie hat uns die Werkzeuge gegeben, um auf der ultimativen Spielwiese der Natur zu spielen", meint Horst Störmer, Physik-Nobelpreisträger des Jahres 1998: "Die Möglichkeiten, Neues zu schaffen, scheinen grenzenlos zu sein."

Only size matters. Was hat es nun mit der neuen Wunderwissenschaft tatsächlich auf sich? Worum geht es bei der Nanotechnologie? Selbst die Forscher, die in diesem Bereich arbeiten, tun sich schwer, eine verbindliche Definition zu geben. Und folglich ist Nanotechnologie weniger eine neue Disziplin als ein unübersichtliches Forschungsfeld, das sich rund um eine Größenbezeichnung entwickelt hat: Ein Nanometer (nm) oder ein milliardstel Meter. Entsprechend geht es bei der Nanotechnologie um die Visualisierung, die Charakterisierung, die Produktion und die Manipulation von Partikeln, die kleiner als hundert Nanometer sind, also kleiner als das Zehntausendstel eines Millimeters oder 800 Mal kleiner als die Breites eines Haares.

Der Gründungsmythos der Nanotechnologie, der in keiner Geschichte über sie fehlen darf und sie in gewisser Weise auch zusammenhält, ist ein Vortrag, den der legendäre US-amerikanische Physiker Richard Feynman 1959 im California Institute of Technology hielt. Unter dem Titel "There is plenty of room at the bottom" dachte Feynman unter anderem darüber nach, ob es möglich sei, die 24 Bände der Encyclopedia Britannica auf einen Stecknadelkopf zu schreiben. Und er schloss mit der Aussicht, dass es eines Tages möglich sein werde, völlig neue Stoffe herzustellen, indem Physiker Atome dort platzieren, wo Chemiker sie haben wollen.

Feynmans Vortrag blieb lange Zeit unbeachtet. Auch ein Artikel eines japanischen Forschers, der 1974 erstmals den Begriff Nanotechnologie verwendete, blieb ohne Resonanz. So blieb es dem US-amerikanischen Wissenschaftler und Visionär Eric Drexler vorbehalten, mit seinem Buch "Engines of Creation" im Jahr 1986 den Nanohype so richtig anzufachen: Er entwarf darin so genannte Assembler, das sind Maschinen, die einzelne Atome greifen und positionieren können, um so "von unten" Gegenstände mit absoluter Präzision herzustellen. Was selbstredend die gesamte Industrie revolutionieren würde.

Von Mikro zu Nano. Unabhängig von Drexlers Visionen - über die nach fast zwanzig Jahren immer noch heftig debattiert wird, ob sie sich überhaupt realisieren lassen - bewegten sich verschiedene Disziplinen in ihren Forschungen "top-down" auf die Nanoebene zu: Die Biologen stießen spätestens mit der Entdeckung der exakten Struktur der DNA in die Welt der Moleküle vor, Chemiker arbeiten seit Jahrzehnten mit nanoskaligen Kolloiden, und Ingenieure entwickelten Kunststofflacke zur Fotolithografie, die die Herstellung winziger Strukturen ermöglichen. Die Physiker schließlich hatten mit der Quantenphysik die theoretischen und mit den neuen Mikroskopen die praktischen Grundlagen für den Vorstoß in den Nanokosmos geliefert. Dazu kam die unaufhaltsam fortschreitende Miniaturisierung in der Halbleiterindustrie.

Was macht die Nanowelt nun so einzigartig - außer dass sie eben tausendfach kleiner ist als die Mikrowelt? Es sind zwei besondere Eigenschaften: Zum einen gelten bei Größenordnungen unter rund Fünfzig Nanometer nicht mehr die Gesetze der klassischen Physik, sondern jene der Quantenphysik. Das bedeutet, dass die Teilchen völlig neue optische, magnetische oder elektrische Fähigkeiten annehmen können als ihre größeren Geschwister. Zum anderen nimmt die Oberfläche der Teilchen im Vergleich zu ihrer Masse stark zu, was wiederum ihre Interaktion mit der Umwelt vergrößert. Mit anderen Worten: je kleiner die Partikel, desto reaktiver die Substanz.

Zwischen Hype und Hope. Geschürt durch die Versprechungen der Wissenschaftler sind die Hoffnungen in die Nanotechnologie nach wie vor riesengroß. Entsprechend wurde die Nanotechnologie in den letzten Jahren gefördert wie kaum ein anderes Forschungsgebiet. Allein im Jahr 2003 wurden von öffentlicher Hand geschätzte drei Milliarden Euro in die Zukunftstechnologie gepumpt. Vorreiter waren dabei die USA und Japan (s. Seite 7), wo bereits Anfang der Neunzigerjahre erste Programme zur gezielten Förderung der Nanoforschung ausgeschrieben worden waren. Seit ein paar Jahren investiert man auch in der EU - und besonders in Deutschland - beträchtliche Summen.

Während bei den öffentlichen Nanoausgaben Japan die Statistik vor den USA und der EU anführt (siehe Grafik S. 6), führen die USA beim Output, also den Publikationen und den Patenten. Im Ranking folgen Japan, Deutschland und China, das den höchsten Anteil der Nanotechnologie an den gesamten wissenschaftlichen Publikationen aufweist. Ist der Rückstand Europas bei der Forschung vergleichsweise gering, so halten die USA fast die Hälfte aller Nanopatente.

Klein denken, groß gewinnen. Mittlerweile kommen immer mehr Produkte der Nanotechnologie auf den Markt. In der Medizin sind Nanopartikel längst im Einsatz, etwa als Kontrastmittel, als Nachweisstoffe auf Biochips, in der Sonnenmilch oder als "Fähren" zur Verabreichung von Medikamenten. Es gibt hauchdünne Oberflächenbeschichtungen mit völlig neuartigen Eigenschaften, die etwa auf dem Lotuseffekt beruhen. Auch erste Computerchips mit molekularen Schaltkreisen und Solarzellen auf Nanoteilchenbasis existieren bereits. Nur mit Drexlers Assemblern ist man noch nicht viel weitergekommen.

Am weitesten in Richtung Marktreife hat sich die Verwendung von Nanomaterialien entwickelt. Damit wurden im Vorjahr nach Schätzungen des Marktforschungsunternehmens BCC mehr als sieben Milliarden Euro umgesetzt. Bis 2008 soll das Marktvolumen auf fast 29 Milliarden Euro wachsen. Die Schätzungen selbst der gegenwärtigen Umsätze gehen freilich weit auseinander. Vor allem der künftige Nanomarkt lässt sich aus einem simplen Grund in enorme Höhen rechnen: Zumeist wird für die Berechnungen der gesamte Preis eines Produkts herangezogen - also etwa einer Festplatte, deren Schreibkopf auf Nanotechnologie basiert -, weil der spezielle Nanoanteil schwer zu ermitteln ist.

Entsprechend pragmatisch ist daher die Haltung von Wolfgang Heckl, dem einflussreichsten Kommunikator der deutschen Nanoforschung (s. Seite 8-9): "Wenn ich als Handelsreisender in Sachen Nanotechnologie unterwegs bin", sagt er, "soll ich oft Märkte einschätzen. Da erfinde ich die Zahlen schlichtweg. Das machen aber auch die andern so.

Klaus Jopp: Nanotechologie - Aufbruch ins Reich der Zwerge. Wiesbaden 2003 (Gabler). 233 S., e 51,30

Herbert Paschen et al.: Nanotechnologie. Forschung, Entwicklung, Anwendung. Berlin / Heidelberg 2004 (Springer). 366 S., e 102,80

Niels Boeing: Nano?! Die Technik des 21. Jahrhunderts. Berlin 2004 (Rowohlt Berlin). 192 S., e 17,40

Damien Broderick: Die molekulare Manufaktur. Wie Nanotechnologie unsere Zukunft beeinflusst. Aus dem Englischen von Hubert Mania. Reibek 2004 (Rowohlt TB). 480 S., e 13,30

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