Nanotechnologie US-Forscher entwickeln Material für Tarnkappen

Der Stoff, aus dem die Märchen sind: US-Forscher haben Nanomaterialien hergestellt, die wie eine Tarnkappe funktionieren sollen.

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Metamaterial unter dem Mikroskop: Warum das ganze Tamtam?
REUTERS / Jason Valentine / UC Berkeley

Metamaterial unter dem Mikroskop: Warum das ganze Tamtam?


Man ist verstimmt in den Redaktionen der beiden großen Fachmagazine "Nature" und "Science". Je einen Artikel über ganz besondere Nanomaterialien planten die beiden Dickschiffe unter den Forschungsmagazinen demnächst zu veröffentlichen. "Nature" hatte in der Ausgabe dieser Woche eine Seite für ein Team um Jie Yao von der University of California in Berkeley reserviert, "Science" wollte einer Forschergruppe um Jason Valentine von derselben Hochschule in einer der nächsten Ausgaben sogar fünf Seiten freiräumen.

Bis zur ersten Veröffentlichung Ende dieser Woche sollten alle Beteiligten - Forscher, Redakteure und Journalistenkollegen - planmäßig Stillschweigen bewahren. Doch das funktionierte nicht: Am Sonntagabend teilten beide Zeitschriften überraschend mit, durch "Umstände außerhalb ihrer Kontrolle" seien die Ergebnisse der beiden Gruppen frühzeitig bekannt geworden. Man werde die Vorgänge untersuchen - und zog die Veröffentlichung des Materials nun vor.

Warum das ganze Tamtam? Forscher befassen sich seit einigen Jahren ernsthaft mit Dingen, die bis dahin - zumindest außerhalb der Gedankenwelt von Science-Fiction- und Fantasyfans - als Spinnerei galten: Tarnkappen, die Licht derart trickreich um Gegenstände herumlenken, dass sie unsichtbar werden. Keine Reflektion, kein Schatten, nichts. Harry Potter, Siegfried aus der Nibelungensage und Comichelden wie die Invisible Woman der "Fantastischen Vier" lassen grüßen.

US-Forscher sagen nun, sie seien dem Bau einer solchen Tarnkappe einen entscheidenden Schritt näher gekommen - mit Hilfe von zwei neuen Nanomaterialien. Bereits im Jahr 2006 hatten Forscher aus den USA und England ein erstes - eher simples - Unsichtbarkeits-Konstrukt vorgestellt: Sie hatten einen 12 Zentimeter messenden Ring aus mehreren Lagen Kupferdraht und Glasfaserfolien konstruiert, der auftreffende Mikrowellenstrahlung um sich herumführte - und im Schnittbild so aussah, als sei er gar nicht vorhanden. Die Technologie funktionierte allerdings nur zweidimensional.

Immer wieder hat es seitdem Meldungen darüber gegeben, dass die Tarnkappentechnik einen entscheidenden Schritt voran gekommen sei. Ende vergangenen Jahres präsentierten US-Forscher etwa einen Aufbau, der ebenfalls mit konzentrisch angeordneten Ringen arbeitete, aber auch im Bereich des sichtbaren Lichts funktionierte.

Metamaterialien mit besonderer Struktur

Grundlage für die Tarnkappenexperimente sind Fortschritte in der Nanotechnologie. Wer eine Tarnkappe bauen will, braucht sogenannte Metamaterialien, eine ausgefeilte Mixtur aus Metallen und Werkstoffen wie Teflon, Keramik oder Verbundmaterial.

Metamaterialien verdanken ihre Eigenschaften nicht ihrer chemischen Zusammensetzung, sondern allein ihrer speziellen Struktur. Auf der Oberfläche der wundersamen Stoffe wiederholen sich beständig bestimmte Nano-Konstrukte, die kleiner sein müssen als die Wellenlänge der einfallenden Strahlung. Deswegen gelangen die ersten Tarnkappenversuche auch mit Mikrowellenstrahlung, die über vergleichsweise große Wellenlängen verfügt. Denn hier kann mit recht großen Strukturen gearbeitet werden.

Klar ist damit auch: Wer sichtbares Licht draußen halten möchte, der muss mit besonders filigranen Oberflächen arbeiten. Mikrowellen haben eine Wellenlänge zwischen einem Meter und einem Millimeter. Beim sichtbaren Licht sind die Wellenlängen viel kürzer; der Bereich reicht von 380 Nanometern (ultraviolett) bis 780 Nanometern (infrarot).

Zwei US-Forscherteams aus Kalifornien, die beide unter Führung des Forschers Xiang Zhang arbeiten, haben nun zwei neue Arten von Metamaterialien vorgestellt. Sie sollen unter anderem den Vorteil bieten, dass möglichst wenig der einfallenden Strahlung beim Verschleiern der zu schützenden Objekte verloren geht; das war bei bisherigen Versuchen ein ernsthaftes Problem. Außerdem sollen die neuen Verbindungen einfacher herzustellen und zu verarbeiten sein - und eben auch im Bereich des sichtbaren Lichts funktionieren.

  • Das Team um Jie Yao ließ elektrochemisch winzige, gerade einmal 60 Nanometer messende Silberdrähte in einem porösen Aluminiumoxid wachsen. In "Science" beschreiben die Forscher, dass das so geschaffene Metamaterial zum Beispiel bei Wellenlängen von 780 Nanometern Tarnkappeneigenschaften gezeigt habe. Das liegt noch im Bereich des sichtbaren Lichts. Berechnungen hätten gezeigt, dass der Effekt auch bei noch längeren Wellenlängen auftreten müsste.

  • Die Forscher um Jason Valentine konstruierten winzig kleine Strukturen, die sie als Fischnetz bezeichnen. Zunächst stapelten sie wechselweise dünne Schichten aus 30 Nanometer Silber und 50 Nanometer Magnesiumfluorid aufeinander. In einen Stapel aus gut 20 Lagen schnitten sie dann mit Hilfe fokussierter Ionenstrahlen winzige rechteckige Löcher. Das Endprodukt weise über ein breites Frequenzspektrum, das auch im Bereich des sichtbaren Lichtes liege, Tarnkappeneigenschaften auf. Valentine und seine Kollegen konstruierten aus den Fischnetzen ein Prisma - und damit eine dreidimensionale Tarnkappe.

Immer wieder betonen Wissenschaftler, die mit Metamaterialien arbeiten, es sei noch ein weiter Weg zur Tarnkappe aus dem Märchenbuch - so auch diesmal Forscher Valentine: "Ich glaube nicht, dass wir uns irgendwann in nächster Zeit Sorgen über unsichtbare Leute machen müssen."

Schneller umgesetzt werden könnte indes eine andere Art von Tarnkappe: Im Juni stellte ein spanisches Forscherteam von der Universität Valencia seine Arbeiten an einer Abschirmung für Schall vor. Sie besteht ebenfalls aus Metamaterialien und soll Geräusche um ein Objekt herumleiten. Der Forscher Jose Sanchez-Dehesa glaubt, dass 200 Lagen des von ihm entwickelten Nanomaterials reichen müssten, um ein Objekt von jeglichen Schallquellen abzuschirmen. Jede Schicht könne eine bestimmte Wellenlänge draußen halten.

Eines fernen Tages, so sagen die Forscher, könnte so die perfekte Konzerthalle gebaut werden, das Haus, das resistent gegenüber lärmenden Nachbarn ist - oder unhörbare U-Boote und Kriegsschiffe. Er glaube, so sagte Sanchez, dass seine Erfindung eher umgesetzt werden könne als die komplizierte Tarnkappe für sichtbares Licht.



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