28.08.2000

* 6. Technik: Werkstätten der Zukunft * 6.1. Vorstoß in die MikroweltIM LEGOLAND DER MOLEKÜLE

Den daumennagelgroßen Gabelstapler gibt es schon. Die Nanomaschinen von morgen, Atom für Atom zusammengebaut, werden nur noch unter dem Mikroskop zu erkennen sein.
Rote und gelbe Warnlampen leuchten entlang dem 110 Meter langen Ring aus Edelstahl. "2,5 Gigaelektronenvolt", jubelt der Physiker Dieter Einfeld, "jetzt haben wir die Maximalenergie erreicht." Von den unsichtbaren Kräften riesiger Magneten im Zaum gehalten, rasen in dem Ring Elektronen herum. Beschleunigt knapp auf Lichtgeschwindigkeit, geben sie auf dem Rundkurs energiereiche Röntgenstrahlen ab, die der Wissenschaftler in ein zweites Stahlrohr abzweigt. Eine Sackgasse. Am Ende prallen die Strahlen durch eine Schablone hindurch auf eine dünne Schicht Kunststoff.
Dabei hinterlassen sie dreidimensionale Formen: Kleine Schalter und Kanäle, Linsen, Spiegel und Gitter. "Die Strukturen sind bis zu 200 Nanometer klein. Hergestellt mit einer noch nie dagewesenen Präzision", freut sich Einfeld.
Der Teilchenbeschleuniger am Forschungszentrum Karlsruhe erlaubt eine neue Dimension mikromechanischer Fertigung. Die badischen Wissenschaftler stellen Bauteile her, deren Ecken und Kanten in der Einheit Nanometer gemessen werden - dem milliardsten Teil eines Meters.
Weltweit herrscht derzeit in den Werkstätten der Miniaturisierung Euphorie. "Wir schaffen die Basis für die nächste industrielle Revolution", glaubt Tom Theis, Manager am IBM Watson Research Center bei New York. Zwar ist der praktische Nutzen der Forschung noch klein, nicht aber der Optimismus: "Schon für 2001 schätzen wir den weltweiten Umsatz des Gesamtmarktes auf 100 Milliarden Mark", prophezeit Dirk Vollmerhaus, Technologieleiter bei Henkel in Düsseldorf, "mit schnell steigender Tendenz."
Auch Politiker haben sich anstecken lassen. "Stellen Sie sich vor: Die gesammelte Information der Kongressbibliothek schnurrt auf die Größe eines Zuckerwürfels zusammen!", staunte US-Präsident Bill Clinton Anfang des Jahres in einer Rede vor Wissenschaftlern und stellte ihnen sogleich eine halbe Milliarde Dollar in Aussicht.
Die Visionäre drängt es in den Nanokosmos. Würden sie selbst in diese Dimension schrumpfen, könnten sie mit einzelnen Molekülen Fußball spielen. In der Miniaturwelt sollen sich Nanoroboter einzelne Atome greifen und sie neu zusammensetzen - so könnten beliebige Strukturen entstehen, etwa ein Chip oder ein Transistor, aber letztlich auch jede Art von Materie-Konfiguration, "zum Beispiel ein Käsesandwich", wie Paul Green, Chef der kalifornischen Firma Nanothinc, meint.
Ein erster Schritt ins maschinelle Zwergenreich ist die Mikrosystemtechnik - eine Disziplin, in der deutsche Forschungslabore mit vielen rekordverdächtigen Erfindungen einen Spitzenplatz einnehmen: Der wohl kleinste Helikopter der Welt, 24 Millimeter lang, hat seinen Jungfernflug überstanden, ein Minigabelstapler, der Zuckerwürfel vom Boden hochhebt, soll klein genug fürs Guinnessbuch der Rekorde sein. Beide Liliput-Vehikel entstanden am Institut für Mikrotechnik Mainz (IMM), das soeben einen Motor mit Getriebe vorgestellt hat: "Die Zahnräder im Innern messen gerade mal 56 Mikrometer"**, so IMM-Entwickler Reinhard Degen.
Degens Forscherkollegen aus Karlsruhe haben in diesen Wochen einen Gassensor zur Serienreife gebracht, eine Art künstliche Nase. Kernstück des Minidetektors ist ein Chip, beschichtet mit Zinndioxid, auf dem 38 Sensoren von nur 40 Mikrometer Breite angebracht sind. "Eintreffende Geruchsmoleküle verändern die Leitfähigkeit des Zinndioxids, der Sensor registriert die Veränderun-
gen", erklärt Chefentwickler Joachim Goschnick.
Im Kühlschrank könnten solche Sensoren Fleisch erschnüffeln, das gerade zu verderben beginnt. Auf einer Zahnbürste platziert, würden sie den Mundgeruch analysieren und Störungen im Stoffwechsel erkennen; in Flugzeugen könnten sie einen Kabelbrand signalisieren, noch bevor es richtig schmort. Die Nasa will die Mininase ins Spaceshuttle einbauen.
Immer öfter stoßen die Miniaturisierer allerdings an physikalische Grenzen. Nicht alles lässt sich beliebig bis auf atomares Niveau schrumpfen.
Eine Reihe in der Makrowelt vernachlässigbarer Phänomene plagt die Ingenieure im Mikrokosmos: Wie verhext kleben Zahnrädchen und Achsen an der Oberfläche ihrer Mikrozangen, weil die Anziehungskräfte zwischen ihnen größer sind als die Schwerkraft. Die Adhäsion lässt Getriebe verkleben und verkleistert Schalter. "Alles ist anders als in der sichtbaren Welt", erklärt Jacqueline Krim von der North Carolina State University. Die Physikerin experimentiert mit synthetischen Schmierstoffen, um die Anziehungskräfte im mikromechanischen Legoland zu bändigen.
Für die US-Streitkräfte hilft Kenneth Breuer von der Brown University im amerikanischen Providence ein ganzes Flugzeugtriebwerk zu entwickeln, das nicht größer ist als ein Chip. Den schwergängigen Mikroturbinen will er durch wohldosierte Gasströmungen zu leichtem Lauf verhelfen. Mittlerweile bringen sie es auf 1,4 Millionen Umdrehungen pro Minute. "Je kleinteiliger unsere Prototypen, desto größer werden die Probleme", stöhnt Breuer.
Auch der Lieblingswerkstoff aller Mikromechaniker, das Silizium, hat Tücken. Im Dauereinsatz nutzt er sich zu schnell ab. Die an der Oberfläche sitzenden Atome verbinden sich äußerst rege mit fremden Teilchen. Nun sollen Mikromaschinen aus Aluminium oder Diamant zum Einsatz kommen, die resistenter gegen molekularen Schmutz sind.
Die Herstellungsverfahren in der Mikrotechnik funktionieren noch nach dem herkömmlichen Prinzip: Aus großen Materialblöcken werden die Einzelteile für eine Maschine gewonnen. Für die Architektur im Nanokosmos dagegen müssen die Wissenschaftler völlig umdenken. "Wir müssen den Weg von unten nach oben einschlagen", sagt der Münchner Physiker Wolfgang Heckl und empfiehlt: "Die Trennung zwischen Biologie und Technologie gehört aus den Gedanken gestrichen." Atom für Atom wollen die Forscher erst Moleküle und dann komplexe Dinge zusammenbauen.
Das ist noch weitgehend Phantasie - in der Praxis handelt es sich um unfassbar viele Bausteinchen: Ein Gramm Kohlenstoff besteht aus 50 Trilliarden Atomen. "Und die muss man sich vorstellen wie einen Sack Flöhe", sagt Heckl.
Der Professor hat damit bereits Erfahrung: Er konstruierte eine erste primitive Apparatur, mit der sich einzelne Atome hin- und herschieben lassen. Weil den meisten Besuchern die Vorstellungskraft für sein atomares Murmelspiel fehlt, hat sich Heckl eine Art Modell aus gelben Tischtennisbällen nachbauen lassen.
In der Hand hält der Professor einen metallenen Zapfen. Er stellt die Spitze eines Rasterkraftmikroskops dar, die in Wirklichkeit nur etwa einen Nanometer breit ist. Diese Nadel bewegt sich im Mikroskop knapp über der Oberfläche zum Beispiel einer Probe mit menschlichem Erbgut und ertastet ein Abbild der Konturen.
"Wir senken die Spitze nun mitten in die Moleküle hinein", erklärt Heckl und stößt seine Attrappe in die Ballschicht, die eine Moleküloberfläche darstellt. Mit einem Joystick kann er die Spitze des Nanomanipulators durch eine Lage Atome fahren, am Knüppel spürt er den Widerstand, den die Moleküle der Nanonadel entgegenhalten. Mit viel Geduld gelingt es ihm, einzelne Atome aus dem Verbund herauszusondern.
So frustrierend wie bei diesem Beispiel ist der Alltag von Nanoforschern häufig. Kleine Erfolge sorgen da für Beifall: Dieses Frühjahr stellten japanische Forscher der NEC-Forschungslaboratorien von Tsukuba einen Schalter von weniger als zehn Nanometer Größe vor. Ein einzelnes Elektron löst dabei den Schaltvorgang aus. Wenige Monate zuvor präsentierte ein Team um den Kasseler Physikprofessor Rainer Kassing die kleinste Düse der Welt, tausendmal dünner als der Durchmesser eines Haares.
Damit es doch noch etwas wird mit der Neuerschaffung der Maschinenwelt, wollen die Forscher der Natur abschauen, wie sie sich selbst hervorbringt und vervielfältigt: Jede Zelle ist ein Beispiel praktizierter Nanotechnologie.
Geht es nach Paul Green, sollen die Nanofabriken der Zukunft nach dem gleichen Prinzip arbeiten. Zuerst würden die winzigen Nanoroboter Duplikate ihrer selbst anfertigen. Geschieht das alle 30 Minuten, entstehen nach 30 Stunden eine Trillion. Dieses unsichtbare Riesenheer begänne dann mit der eigentlichen Produktion von Gegenständen aller Art.
Den Mitgründer des US-Computerherstellers Sun, Bill Joy, graut es schon bei der Vorstellung, dass dereinst künstliche Lebewesen dem Menschen Konkurrenz machen könnten. Er mahnte unlängst, "manche dieser Experimente lieber nur auf dem Mond" zu wagen. Solche Sorgen hält der Physiker und Visionär Michio Kaku (siehe Interview Seite 140) für verfrüht: "Sicher werden noch 50 Jahre mit Grundlagenforschung ins Land gehen."
Diesen Zeitplan findet Nanomanipulateur Heckl völlig in Ordnung: "Die Natur hat schließlich 3,8 Milliarden Jahre experimentieren können."
GERALD TRAUFETTER
CHEMIEFABRIK IM SCHUHKARTON
Das Großartige an ihm ist seine Winzigkeit. Einen Kubikzentimeter misst der silbrige Würfel. Doch in seinem Innern ist Platz für 4000 haarfeine Röhren. Klaus Schubert, Mitentwickler des Mikroreaktors am Forschungszentrum Karlsruhe, sieht damit das Ende haushoher Rührkessel in der Chemiefabrik gekommen.
In der einen Hälfte der haarfeinen Kanäle lässt Schubert Wasserstoff und Sauerstoff zusammenrauschen - in so geringer Menge verläuft die Knallgasreaktion in geordneten Bahnen. "In den restlichen 2000 Röhrchen führen wir mit einer Kühlflüssigkeit die Reaktionswärme ab", erklärt Schubert.
Derzeit testet ein großer Chemiekonzern den so genannten Karlsruher Würfel. Spielen sich Reaktionen auf so kleinem Raum ab, könnten die zentralen Apparaturen einer Chemiefabrik eines Tages in einer Schuhschachtel Platz finden. Überdies: "Mit dem Mikroreaktor ersparen wir uns ungeheure Mengen chemischen Abfalls", glaubt Schubert. Verheerende Chemieunfälle wären dabei ausgeschlossen. Bleiben explosive Reaktionen aus, können die Chemiker auch bisher als unverträglich geltende Stoffe zusammenmixen und dabei neue Substanzen entstehen lassen.
Für die Analyse entwickeln die Mikrofluidik-Forscher daumengroße Chips, die ganze Großlabore ersetzen sollen. Das interessiert vor allem Pharmaforscher. Sie könnten auf der Suche nach neuen Wirkstoffen Zehntausende Substanzen schnell und effizient mischen. Agilent Technologies, Tochterfirma des US-Computerkonzerns Hewlett-Packard, bietet einen ersten Chip zur Größenbestimmung von DNS-Schnipseln an. "Ein Milliardstel Milliliter", berichtet Agilent-Manager Günter Nill, "reicht für unsere Analysen aus."
* Am IMM in Mainz. ** 1 Mikrometer = 1 tausendstel Millimeter.
Von Gerald Traufetter

DER SPIEGEL 35/2000
Alle Rechte vorbehalten
Vervielfältigung nur mit Genehmigung


DER SPIEGEL 35/2000
Titelbild
Abo-Angebote

Den SPIEGEL lesen oder verschenken und Vorteile sichern!

Jetzt Abo sichern
Ältere SPIEGEL-Ausgaben

Kostenloses Archiv:
Stöbern Sie im kompletten SPIEGEL-Archiv seit
1947 – bis auf die vergangenen zwölf Monate kostenlos für Sie.

Wollen Sie ältere SPIEGEL-Ausgaben bestellen?
Hier erhalten Sie Ausgaben, die älter als drei Jahre sind.

Artikel als PDF
Artikel als PDF ansehen

* 6. Technik: Werkstätten der Zukunft * 6.1. Vorstoß in die Mikrowelt:
IM LEGOLAND DER MOLEKÜLE

  • Rettungsschiff "Open Arms": Weitere Flüchtlinge springen ins Meer
  • Freizeitpark im Schwarzwald: Karussell ähnelt Hakenkreuzen
  • "Uber Boat": In Cambridge kommt der Kahn per App
  • Doku zu cholesterinreicher Ernährung: Fett for Fun