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Maschinenbau im Nanomaßstab

Serie (1): Die Nanotechnologie zwischen Hoffnung und übertriebener Erwartung

VDI nachrichten, 8.6.2001
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

Nano-Gold im Kirchenfenster

Serie (2): Dort, wo man es selten vermutet, bereichert die Nanotechnologie bereits heute den Alltag

VDI nachrichten, 15.6.2001
Nanopartikel erobern mehr und mehr den Alltag. Sie machen Badewannen schmutzabweisend und desinfizieren Türklinken. Sie veredeln Cremes und Zahnpasta. Ein breiter Markt lockt die Nano-Forscher.

Bereits seit dem Mittelalter gibt es Nanotechnologie – zumindest in ersten technischen Anwendungen. In manchen Kirchenfenstern zum Beispiel. Ihre rubinrote Farbe verdanken sie nanometergroßen Goldpartikeln. Die Glashersteller ahnten damals nicht, dass sie mit den winzigen Goldmengen, die sie mit dem Glas einschmolzen, Cluster von Nanopartikeln erzeugten. Der Effekt: Statt goldgelb leuchteten die Fenster strahlend rot. "Der Farbwechsel beruht auf den veränderten elektronischen Eigenschaften solch kleiner Teilchen", erklärt Stefan Lach, Chemiker und Nanoforscher von der Universität Kaiserslautern. Bei ihrer Größe – sie bestehen aus rund 100 Atomen – ändert sich die Wellenlänge des Lichtes: Statt goldenem fällt rotes Licht in die Kirche.

In der Nanowelt gelten andere Gesetze als im Makrobereich. Bereits heute nutzen die Forscher das sehr geschickt – für Desinfektionsmittel zum Beispiel. So regt das UV-Licht der Sonne die Elektronen von Titandioxid an. Diese bilden in Gegenwart von Wasser und Sauerstoff Wasserstoffperoxid. Das Oxidationsmittel zerstört unliebsame Mikroorganismen wie Bakterien oder Schimmelpilze. Das Saarbrücker Unternehmen itN-Nanovation beschichtet Fliesen oder Türgriffe mit Titandioxid, das in öffentlichen Gebäuden oder Krankenhäusern Keimen schützen und herkömmliche Desinfektionsmittel ersetzen kann.

Nanopartikel sind so klein, dass sie zwar UV-Licht absorbieren, sichtbares Licht aber nicht beeinflussen. Daher erscheinen sie transparent und eignen sich für viele Arten von Beschichtungen, bei denen "Durchblick" erforderlich ist. Brillengläsern, Lupen oder optischen Linsen aus Kunststoff zum Beispiel verleihen die winzigen Partikel eine kratzfeste Oberfläche.

Sie schützen Teppich und Kleidungstücke vor Flecken. Waschbecken, Fliesen und Duschkabinen machen sie vor kalk- und schmutzbeständig.

Wurden früher solche Beläge in Badewanne und Waschbecken eingebrannt, so kann man heute sein Badezimmer selbst mit "Nano" ausstatten – durch Auftragen einer Partikelflüssigkeit mit einem Tuch, dem "Wonder Gliss Fluid" des Wiesbadener Unternehmens Nanogate zum Beispiel. Die Wirkung bleibt mehrere Monate erhalten und macht tägliches Reinigen überflüssig.

Genauso einfach können Sportler Skier und Snowboards mit einem ebenfalls von Nanogate entwickelten Cerax-Tuch wachsen.

Das Geheimnis solcher Beschichtungen sind Moleküle, die sich "selbst organisieren". Sie bestehen aus einer "Ankergruppe" – die an die Oberfläche von Badewanne, Waschbecken oder Skiern andockt. Die Kopfgruppe hingegen lässt Wasser und Schmutz abperlen oder den Ski gleiten. Im Idealfall besteht die Beschichtung aus nur einer Moleküllage – vorausgesetzt die Moleküle organisieren sich wie gewünscht.

Mit glatten Oberflächen beschäftigen sich auch Forscher von Sustech in Darmstadt, einer Ausgründung von Henkel. Sie wollen glatte Zähne erzeugen. Durchs Rasterkraft-Mikroskop betrachtet, ist ihre raue Oberfläche deutlich zu sehen – ein Angriffspunkt für Bakterien und Karies. Das Henkel-Team mischt Nanopartikel aus mit Fluor angereichertem Hydroxylapatit – dem Hauptbestandteil der Zähne – in Zahnputzmittel. Erste Tests an Rinderzähnen zeigten "ein frappierendes Ergebnis", sagt Projektleiter Prof. Rüdiger Kniep. Der raue Zahnschmelz glättet sich und der Nanoapatit haftet selbst nach vielen Spülungen noch.

Die Forscher erwarten, dass Nanopartikel aus Calciumphosphaten sogar den natürlichen Wiederaufbau geschädigter Zahnoberflächen begünstigen können.

Auch in die Kosmetik hält die Nanotechnologie Einzug. "Wenn die Wassertröpfchen in einer Emulsion von Wasser in Öl so klein werden, dass keine Mikroorganismen darin wachsen können, sind Konservierungsstoffe nicht mehr notwendig", erläutert Dr. Roger Wepf aus der Forschungsabteilung von Beiersdorf.

In Sonnencremes schützen Nanopartikel aus Titandioxid. Die Teilchen reflektieren die besonders schädliche UVB-Strahlung und schützen so die Haut vor Sonnenbrand. "Die winzigen Kügelchen von 20 nm bis 100 nm können sich viel dichter zusammenlagern, als dies mit größeren Teilchen möglich wäre", erläutert Wepf das Prinzip. "So entsteht ein dichter Schutzfilm."

Die Forscher arbeiten mit unterschiedlichen Partikelgrößen und beschichten diese zusätzlich. So können sie verhindern, dass die winzigen Teilchen in die Haut eindringen. Sie bleiben auf den oberen abgestorbenen Zellen der Haut.

Die Beiersdorf-Forscher wollen künftig die molekularen Funktionen der Haut besser verstehen. Auch dazu nutzen sie Nanotechnologie – in Form von Rasterkraftmikroskopen. "Wenn wir so weit sind", so die Vision von Wepf, "brauchen wir eines Tages vielleicht keine Spritzen mehr, weil Wirkstoffe einfach über Cremes durch die Haut in die Blutgefäße gelangen könnten."

URSULA SCHIELE-TRAUTH

Die große Angst vor kleinen Dingen

Serie (3): Die Nanotechnik schafft neue Panzerungen und Waffen für das Militär

VDI nachrichten, 22.6.2001
Neue Technologien machen Angst. Die Nanotechnik bildet da keine Ausnahme. Ihr Potenzial in der Rüstung ist beträchtlich: Sie eröffnet Wege zu verbesserten Waffen und innovativen Materialien. Der Ruf nach Richtlinien und einem gewissenhaften Umgang mit der neuen Technologie wird laut.

Vor kurzem klingelt in einem deutschen Forschungsinstitut das Telefon. Die FDP bittet um Auskunft. Ob es sein könnte, dass winzige Nano-Roboter, von Flugzeugen abgeworfen, unbemerkt und unsichtbar längst das Land auspionieren?

Neue Technologien machen Angst – vor allem im technik-skeptischen Deutschland. Wie zuvor Bio- und Kerntechnik, ruft nun auch die Nanotechnik die ersten Kritiker auf den Plan – obwohl sie bisher ein Image als „saubere“ und „grüne“ Technologie pflegt. Es ist die Rüstung, die Befürchtungen weckt. Apokalyptiker treten auf – Leute wie Bill Joy, Chef-Entwickler von Sun Microsystems, der Feuilletons in Aufregung versetzte mit seinen düsteren Warnungen, die neue Technik könnte entgleisen und die Menschheit in den Untergang reißen.

Joy sieht die Erde schon bedeckt von einem gewaltigen grauen Schleim – bestehend aus sich unkontrolliert vermehrenden Nanorobotern („gray goo problem“), womöglich in die Welt gesetzt von Terroristen und beladen mit zerstörerischer Fracht. Der Computer-Spezialist fordert, die Nano-Forschung zumindest teilweise zu stoppen.

Seitdem liefern sich Kritiker und Nano-Optimisten wie die US-Forscher Ralph Merkle und Ray Kurzweil eine heftige, mehr von den Medien als von den Forschern selbst ernst genommene Debatte über Fluch und Segen der neuen Technik. Vielen deutschen Wissenschaftlern erscheinen Joys Bedenken und Kurzweils Visionen, als hätten die Amerikaner zu viele Star-Trek-Folgen gesehen.

Ein Fehler, findet Uwe Hartmann, Professor für Physik und Nano-Strukturforschung von der Universität Saarbrücken. „Wischt man die Diskussion einfach als lächerlich vom Tisch, macht man es sich zu leicht“, warnt Hartmann. Das militärische Potenzial für völlig neue Waffensysteme sei vorhanden. „Hier sind Politiker gefragt, die mit Gesetzen und Richtlinien entsprechende Rahmenbedingungen schaffen.“

Von den Schreckensvisionen über grauen Schleim hält der Physiker indes wenig. „Solche Maschinen, sollte es sie jemals geben, sind sehr empfindlich und nicht dazu in der Lage, sich universell zu vermehren.“

Vor allem die USA haben die Nanotechnik zu militärischen Zwecken längst für sich beansprucht. Politiker und Forscher behaupten, in spätestens 15 Jahren Nanomaschinen für die Rüstung herstellen zu können. Eine Ankündigung, die deutsche Forscher eher amüsiert. „Dieser Zeitrahmen ist unrealistisch“, sagt Stefan Reschke, Werkstoffwissenschaftler und Trendforscher vom Fraunhofer-INT, Euskirchen. „Wie will man Energie erzeugen und solche Maschinen mit Antrieb versehen, ihnen dazu noch Intelligenz und Kommunikationsfähigkeit verleihen?“

Dennoch scheinen die amerikanischen Absichten ernst gemeint. Einen Tag, nachdem Bill Clinton im vergangenen Jahr vollmundig verkündet hatte, dass die USA die Weltmarktführerschaft bei Nanotechnologie anstrebten, wurden alle US-Internetseiten in militärischem Besitz, die sich mit Nano-Forschung beschäftigten, für den öffentlichen Zugriff gesperrt.

Auch George Bush ist fest entschlossen, die „nächste Waffengeneration zu entwickeln, die Kriegsführung und Friedenssicherung neu definiert“. 20 Mrd. DM will er innerhalb der nächsten fünf Jahre in die Rüstung investieren, die Nanotechnik eingeschlossen.

Doch das Militär muss nicht erst auf die neueste Waffengeneration warten, um von „Nano“ zu profitieren. Auf eher kurz- bis mittelfristige Anwendungen, hauptsächlich im „defensiven“ Bereich, beschränkt sich die deutsche Rüstungs-Forschung. Neue Panzerungen locken. So könnte die Wissenschaft mit Hilfe winziger Kohlenstoff-Röhrchen Materialien herstellen, die zehn Mal reißfester sind als herkömmlicher Stahl und dabei nur einen Bruchteil seines Gewichtes haben.

Auch neue Munition wird entwickelt. So genannte KE-Geschosse, als „Uranmunition“ ins öffentliche Bewusstsein gelangt, sollen verbessert werden. Hier soll Nanopulver aus Wolfram das leicht endzündliche Uran ersetzen – ohne „unangenehme“ Nebenwirkungen, nicht strahlend oder toxisch.

Das Militär wartet vor allem auf viel versprechende Nano-Entwicklungen aus dem zivilen Bereich, um diese für sich zu übernehmen. Eine Beispiel sind nanokristalline keramische Verbundwerkstoffe auf Basis von Siliziumcarbid. Hier locken hitzebeständige und besser formbare Materialien für Panzerungen und Hitzeschilde. Außerdem „erleichtern sie die Herstellung von Brennerdüsen für Raketen“, erklärt Stefan Lach, Chemiker und Nanoforscher von der Universität Kaiserslautern.

Indes entwickeln Bio-Nanotechnologen winzige und sensible Detektoren auf Biochips, die frühzeitig vor biologischen oder chemischen Kampfstoffen warnen sollen – eine Entwicklung, die nahezu Marktreife erreicht hat.

Nur längerfristig denkbar sind elektronische Systeme wie Satelliten, die auf „Nano“ basieren. „Sie sind momentan zu störanfällig“, erklärt Reschke, „eine Abschirmung wiegt zu viel.“ In der Nanowelt reichen kleine elektromagnetische Pulse oder Strahlungen, um ein System zu stören. Daher enthält der bislang kleinste, 10 kg schwere Aufklärungssatellit, „nur“ Elemente aus der Mikroelektronik.

Trotz oder vielleicht auch wegen ihres großen militärischen Potenzials ist die öffentliche Nanoforschung in Deutschland an mehr oder weniger strenge Auflagen geknüpft. „Geld gibt es nur, wenn keine militärischen Ziele verfolgt werden“, erklärt Hartmann. Der deutschen Rüstungsindustrie sei jedoch kein Vorwurf zu machen, wenn sie sich der ungeheuren Möglichkeiten bediene, die „Nano“ biete. „Ob die neue Technik eine Chance für den Fortschritt darstellt oder eine Gefahr, müssen die Menschen bestimmen“, sagt Hartmann. ELKE BODDERAS

Den Katalysator im Tank

Serie Nanotechnik (4): Nano im Auto könnte Einspritzsysteme verbessern und Benzin sparen

VDI nachrichten, 29.6.2001
Mit Nanotechnik ausgestattet, wird das Auto der Zukunft „intelligent“ auf Umweltreize reagieren. Scheiben und Spiegel verdunkeln sich je nach Lichteinfall und Kratzer im Lack heilen von selbst. Außerdem lässt „Nano“ Reifen auf der Straße besser haften.


Bereits seit mehr als zwei Jahrzehnten ist im Auto Nanotechnik zu finden. Jeder, der einen Wagen mit Katalysator fährt, nutzt die Technik. Denn ein Kat verdankt seine Wirkung winzigen Edelmetallteilchen im Nanoformat. Wie sich neue Werkstoffe und Materialien, basierend auf Nanotechnik, im Auto nutzen lassen, untersuchen Wissenschaftler zum Beispiel von Volkswagen und Daimler Chrysler seit längerem.

Nicht jede Nano-Entwicklung eignet sich für das Auto. So erwies sich der „Lotuseffekt“ bisher als unbrauchbar – Steinschlag oder Waschanlage zerstören die empfindlichen schmutzabweisenden Strukturen auf der Karosserie.

Bereits in Serie gibt es bei VW Spiegel, die sich je nach Lichteinfall verdunkeln. Dafür sorgen winzige Partikel aus Wolframoxid, die abhängig von ihrer elektrischen Ladung entweder zitronengelb oder blau erscheinen. Blenden lästige Scheinwerfer bei Nacht, so erkennt dies ein Sensor im Rückspiegel, woraufhin eine elektrische Spannung die Reflexion des Spiegels ändert.

Nach dem gleichen Prinzip sollen sich Autoscheiben künftig elektrisch gesteuert verdunkeln und die Insassen vor der Sonne schützen. Ein Prinzip, von dem Angestellte in Bürohäusern mit Wärmeschutzfenstern profitieren. Fällt die Sonne ins Fenster, verdunkelt sich das Glas innerhalb von einer Minute – für das Auto zu langsam.

Damit die Wagenfenster sekundenschnell ihre Farbe ändern, bei der Fahrt in einen Tunnel zum Beispiel, feilen Hersteller wie VW momentan an der richtigen Zusammensetzung der Partikel im Glas.

Außer zwischen hell und dunkel soll der anspruchsvolle Autofahrer künftig auch zwischen Wasser abweisend und annehmend wählen können – per Knopfdruck je nach Verschmutzung oder Regenintensität. Außerdem soll es Lacke geben, in denen sich Nanopartikel von selbst so organisieren, dass kleinere Kratzer selbstständig „ausheilen“ können.

Reflektierende Nanopartikel auf dem Autodach könnten künftig Klimaanlagen entlasten. Solche Reflektorschichten bestehen aus kleinsten Teilchen, die in Abhängigkeit ihrer Größe bestimmte Wellenlängen des Lichtes entweder reflektieren oder durchlassen. Auf diese Weise, so wurde bereits berechnet, könnte in den USA so viel Benzin gespart werden, wie die chemische Industrie in Deutschland jährlich an Erdöl verbraucht.

Den Reifen, der ein Autoleben überdauern könnte, entwickeln Wissenschaftler bei Degussa. Heutzutage entscheidet vor allem das Material, wie haltbar, benzinsparend oder rutschfest ein Autoreifen ist. Bisher waren diese Eigenschaften gegenläufig – verbesserte man eine, so verschlechterten sich eine andere oder gar beide. Die Lösung ist maßgeschneiderter Industrieruß. Mit der „Silica“-Technologie können die Rußpartikel nun in beliebiger Größe und mit unterschiedlichen Eigenschaften herstellen.

Industrieruß entsteht bei der thermischen Zersetzung von Rußöl. Durch gezielte Veränderung des Prozesses erhalten die winzigen Rußpartikel, eine spezielle Oberflächenstruktur. So „designen“ die Forscher von Creavis, der zur Degussa gehörenden strategischen Konzernforschung, die Rußpartikel so, dass sie den Reifen zum Beispiel zugleich weich machen und vor Abrieb schützen. Wann und ob der Reifen, der auch nach zwanzig Jahren nicht abgefahren ist, auf den Markt kommt, ist freilich ungewiss. Denn auch beim „Nano“-Reifen rechnen die Hersteller in makroskopischen Dimensionen – an einem Reifen, der sich nicht abreibt, lässt sich kaum verdienen.

Auch die Leiterbahnen von Heckscheibenheizungen wollen Nanoforscher verbessern. „Hier können metallhaltige Partikel genutzt werden“ erklärt Andreas Gutsch, Leiter des Projekthaus Nanomaterialien bei Creavis. Diese werden als Metallpulver-Paste aufgebracht und in der Scheibe zu leitenden Bändern versintert – bei niedrigeren Temperaturen als üblich, um das Glas nicht zu beschädigen. Dazu nutzen die Wissenschaftler den physikalischen Effekt, dass der Schmelzpunkt von Nanoteilchen bis zu mehreren 100 °C unter dem des makroskopischen“ Materials liegt.

Durch Nanolöcher wollen Forscher von DaimlerChrysler Einspritzsysteme verbessern. Die Löcher, mit einem Durchmesser von weniger als 100 nm, könnten den Kraftstoff fein zerstäuben und so Verbrennung und Verbrauch optimieren. Beliebig miniaturisierbar sind die Löcher freilich nicht – ab einer gewissen Größe werden die Kapillarkräfte zu stark.

„Im Brennraum von Kfz-Motoren kann Nano noch viel verbessern“, erklärt Gutsch. So werde erforscht, ob man dem Kraftstoff Nanopartikel zusetzen könne, die katalytisch wirken und so bei der Verbrennung weniger Schadstoffe entstehen. Einen ähnlichen Effekt könnte eine katalytisch wirksamen Nanobeschichtung der Zylinderwand zu erzielen.

Vielleicht könnte Nanotechnik künftig der Brennstoffzelle zur Serienreife verhelfen. So ruhte die Hoffnung von DaimlerChrysler noch vor einem Jahr auf winzigen Kohlenstoffröhrchen, die Wasserstoff speichern können. Deren Kapazität erwies sich jedoch als unzureichend – statt der erhofften 78 % konnten im Versuch nur knapp 4 % erreicht werden. Als geeigneter Wasserstoffspeicher für Brennstoffzellen wird nun nanokristallines Magnesiumhydroxid gehandelt. Es kann rund 8 % seines Gewichtes an Wasserstoff speichern, allerdings nur bei Temperaturen um die 300 °C. Diese Menge Wasserstoff reiche dann für 500 km, meint Werner Grünwald, Forschungsleiter bei Bosch in Stuttgart. KLAUS VOLLRATH/eb

Nano-Werkzeug aus der Welt des Lichts

Serie Nanotechnik (5): Laser erzeugen Strukturen in der Nanowelt und profitieren zugleich von ihr

VDI nachrichten, 6.7.2001
Der Laser gehört zu den wichtigsten Erfindungen des 20. Jahrhunderts. Seinen Erfolg verdankt er unter anderem der Nanotechnik. Wie beide Techniken voneinander profitieren, schildert im folgenden Beitrag Christian Kulik vom Laser Zentrum Hannover (LZH).

Die Lasertechnik ist eng mit „Nano" verwoben: Laser sind als Werkzeug für die Nanotechnik unentbehrlich. Umgekehrt profitiert die Lasertechnik schon lange von den Strukturen im Kleinstformat.

Ein Laser schweißt oder schneidet Stahl – für Schiffe oder Autos. Er isoliert feinste Drähte ab und belichtet Halbleiterchips. Ein Laser strukturiert mikro- und nanotechnische Oberflächen, indem er härteste Materialien punktgenau verdampft oder belichtet.

So verschieden all diese Anwendungen auch sind – das Prinzip des Lasers ist fast immer das gleiche. Ein laseraktives Medium wird angeregt und emittiert Photonen. Spiegel und Linsen bündeln und verstärken dann die hochenergetische Strahlung.

Die optischen Komponenten müssen stark reflektierend bzw. besonders durchsichtig sein, damit der Laser sie nicht beschädigt und damit möglichst wenig Energie verloren geht. So beschichtet man sie mit Materialien wie Aluminiumoxid oder Magnesiumfluorid. Diese ultradünne Beschichtung misst je nach Laseranwendung zwischen 25 nm und 200 nm und macht eine effektive Bearbeitung des Lasermaterials überhaupt erst möglich.

Nicht nur die Beschichtungen im Nanometer-Maßstab beeinflussen den Laserstrahl. Auf der Basis von Nanotechnik haben Forscher von der TU Berlin eine völlig neue Art der Laserquelle entwickelt: den so genannten Quantenpunktlaser. Dabei entsteht Licht in winzigen Pyramiden aus halbleitendem Material, in denen nur wenige Atome Platz finden.

Die Wellenlänge des ausgesandten Lichts hängt von der Größe dieser Pyramiden ab, nicht vom verwendeten Material. So lassen sich Laser mit bisher unerreichbaren Wellenlängen herstellen. 100 Mrd. solcher Pyramiden, so genannter Quantenpunkte, finden auf einer Fläche von 1 cm2 Platz. Statt diese Pyramiden einzeln zu fertigen, was mühsam und ökonomisch unsinnig wäre, hat die Berliner Forschergruppe einen Weg gefunden, wie sich die Atome von selbst zu den gewünschten Pyramiden formen. Ist die Technik einmal ausgereift, wird der Quantenpunktlaser wohl hauptsächlich in der Telekommunikation Verwendung finden.

Doch die Lasertechnik profitiert nicht nur von der Nanotechnik. Der Laser fertigt feinste Strukturen berührungslos und kräftefrei – das prädestiniert ihn für die Herstellung von Nanostrukturen. Selbst der UV-Laser kann Submikrometerlöcher in Glas oder Polymere bohren – für Filter in der Biotechnologie. Eine Stufe feiner arbeitet der Vakuum-UV-Laser. Er kann zum Beispiel Teflon-Folien auf wenige Mikrometer ausdünnen, so dass Poren mit wenigen Nanometern Durchmesser entstehen, durch die Moleküle diffundieren können. Ein Prinzip, das für Fluid- oder Gassensoren genutzt werden kann.

In der Medizin können Laser die Heilung beschleunigen. Auf Implantaten erzeugen sie Nano-Strukturen, auf denen Zellen rascher wachsen, so dass sich das Implantat leichter in den Körper einfügt.

Nanopartikel dienen häufig als Ausgangsstoff für neue Materialien wie Sintermetalle mit außergewöhnlich hoher Festigkeit oder nahezu unzerbrechliche Keramiken. Diese Partikel können mittels Laser leicht hergestellt werden: Das Ausgangsmaterial wird im Laserstrahl verdampft und kondensiert zu Nanopartikeln, die zwischen 5 nm und 100 nm groß sind.

Hochauflösende Lasersysteme können Nanopartikel außerdem auf verschiedenen Oberflächen punktuell so befestigen, dass feinste Strukturen mit nanotechnischen Eigenschaften entstehen. Auf diese Weise werden Druckplatten verbessert: die Druckerschwärze wird homogen verteilt und sie kleben und verschleißen weniger.

In der Halbleiterindustrie bearbeiten Laserstrahlen Millionen von Chips (Photolithographie). Den Halbleiter belichten so genannte Excimerlaser – gepulste Gaslaser, die hochenergetische ultraviolette Strahlung aussenden. Je nach Gasgemisch strahlt dieser Laser derzeit mit Wellenlängen bis 157 nm. So kann er feinste Strukturen bis zu 130 nm auf einem Chip erzeugen, der auf diese Weise schneller wird, was wiederum die Rechenleistung erhöht.

Noch leistungsfähiger werden die Rechner, wenn die Lasertechnik auch hier in den Nanobereich vordringt: Es werden Quellen entwickelt, die Strahlung im EUV-(extremen Ultraviolett)-Bereich mit Wellenlängen von 11 nm bis 13 nm emittieren. Solche Laser ermöglichen die Herstellung kleinster Schaltelement für Computer mit gigantischen Rechenleistungen.

Irgendwann ist allerdings die Grenze der Verkleinerung erreicht. Nur so genannte photonische Computer können die Größe der herkömmlichen Rechner noch unterschreiten. Optische Verbindungswege und Speicherzellen sollen dann die elektronischen ersetzen. Diese Ansätze erlauben die dreidimensionale Anordnung von immens schnellen Schaltungen. Und auch bei derartigen Systemen werden Laser eine maßgebliche Rolle spielen: nicht nur bei der Entwicklung und Herstellung, sondern auch als Energiequellen.

CHRISTIAN KULIK
Der Autor leitet am LZH die Gruppe Mikrotechnik und Modellierung.

Nanotechnik kann das tägliche Leben erleichtern

Nanotechnik: Erste kommerzielle Produkte sind bereits auf dem Markt erfolgreich

VDI nachrichten, 20.7.2001
Eines der zukunftsweisenden Themen auf dem dritten Europäischen Kongress der Verfahrenstechniker, der gerade in Nürnberg zu Ende ging war die Nanotechnik. Politik, Forschung, Unternehmen und Verbände, darunter auch der VDI, bereiten sich auf die Herausforderungen der neuen Möglichkeiten vor.

Der winzige Nano-Roboter in der menschlichen Blutbahn, der schonend und gründlich Ablagerungen beseitigt, wird sicher noch einige Zeit lang Vision bleiben,“ beurteilt Dr.-Ing. Dirk Vollmerhaus, Vorsitzender des VDI-Kompetenzfeldes Nanotechnik, die Entwicklung der jungen Disziplin, „. . . vielleicht sogar niemals Realität werden.“ Aber für nanoskalige Füllstoffe und nanoskalare Beschichtungen sieht er die Situation anders: „Hier gibt es seit kurzem zahlreiche Produkte, die unser tägliches Leben von lästigen Pflichten befreien können.“ Fensterscheiben und die Duschabtrennung können beispielsweise so beschichtet werden, dass Schmutz nicht mehr haftet, und der Regen die Scheiben selbsttätig reinigt. Ebenso bieten Hersteller von Sanitärkeramik bereits mit Nano-partikeln beschichtete Waschbecken an, die sich quasi selbst sauber halten. Und von da zur beschichteten Badezimmer-Fliese, die nur noch selten gereinigt werden muss, sind es nur noch wenige Entwicklungs-Schritte.
Auch der verschüttete Rotwein auf dem Teppich, dem Sofa und anderen Textilien verliert seinen Schrecken, wenn eine Beschichtung mit nanoskaligen Werkstoffen dafür sorgt, dass die Flüssigkeit nicht mehr in die Faser eindringt. Und Parkett, Möbel, Autolack werden vor dem Verkratzen bestens geschützt.
Andere Beschichtungen machen aus Glas ein wärmedämmendes Material. Automobile heizen sich weniger auf, als bisher und senken den Energieverbrauch dadurch, dass die Klimaanlage weniger Arbeit hat. Brillengläser und Abdeckungen von Armaturen werden reflexionsmindernd beschichtet.
In der Drucktechnik lösen Nanobeschichtungen schon jetzt Probleme: Laserstrukturierte keramische Rasterwalzen lassen sich damit auch nach der Verarbeitung stark haftender Farben leicht reinigen.
Das alles sind Beispiele aus dem engen Bereich der Oberflächenbeschichtung im Nanomaßstab. Das heißt, hier werden die besonderen Eigenschaften im Wesentlichen durch Beschichtung mit Nanopartikeln, beziehungsweise durch Strukturierung der Oberflächen im Nanomaßstab erzeugt. Die Nanotechnik deckt allerdings ein viel breiteres Feld ab: Das Spektrum reicht von der Mikroelektronik bis zur Medizin.
Das Geheimnis der Nanotechnik liegt in ihrer Winzigkeit. Die Einheit Nano entspricht 10-9 m. Und unter Nutzung bekannter chemischer Syntheseprinzipien werden diese kleinsten nanoskaligen organischen oder anorganischen Strukturelemente erzeugt. Durch den gezielten Aufbau dieser kleinsten Einheiten und Teilchen aus dem Baukasten des Periodensystems der Elemente können Werkstoffe mit neuen Eigenschaften ausgestattet und winzige Systeme und Maschinen hergestellt werden. Damit werden beispielsweise Hybridmaterialien verfügbar, die Eigenschaften unterschiedlicher Werkstoffe in sich vereinen.
So breit gefächert wie die möglichen Anwendungsbereiche sind denn auch die Ansätze für Forschung und Entwicklung. Interdisziplinär und fachübergreifend hat sich beispielsweise das überregionale Netzwerk für Materialien der Nanotechnologie „NanoMat“ etabliert. Hier koordinieren drei Forschungszentren der Helmholtz-Gemeinschaft, elf Universitäten, ein Max-Planck-Institut, drei Institute der Fraunhofer-Gesellschaft und vier Unternehmen ihre Forschungsprojekte zum Thema „Synthese und Untersuchung von metallischen, halbleitenden und keramischen nanostrukturierten Materialien und Werkstoffen sowie den Funktionen, die sich aus dieser Nanoskaligkeit ergeben“. rok

Das VDI-Technologiezentrum bringt einen Nanotechnologie-Newsletter heraus, den nanoSpotlight, und informiert über neue Entwicklungen in der deutschen Nanotechnologie-Szene. Er erscheint quartalsweise und ist kostenlos.


http://www.nanonet.de/gegenstand/files/nanospot0104.pdf

Nanoteilchen organisieren sich
Nanotechnologie: Herstellung nach dem Vorbild der Natur - klassische industrielle Fertigungsprozesse nicht mehr beherrschbar

VDI nachrichten, Düsseldorf, 24. 6. 05 - Vier bis sechs größere Verbundprojekte sollen ab 2006 die technische Machbarkeit der Selbstorganisation bei der Fertigung nanotechnologischer Strukturen untersuchen. Die Ausschreibung startet im September.

>>>>http://www.vdi-nachrichten.com/vdi_nachrichten/aktuelle_ausgabe/akt_ausg_detail.asp?source=rubrik&cat=2&id=22953