Nanotechnik 2004


31.8.2004
Gute Teilchen, böse Teilchen

Die Nanotechnik wird unsere Technik revolutionieren - und auch neue Probleme mit sich bringen. Höchste Zeit für die Nano-Gemeinde, diese anzupacken.
taz (PDF)


19.8.2004
Die virale Fabrik

Die Chemikerin Angela Belcher züchtet Viren, die Halbleiterdrähte zusammenbauen können. Ihre Vision: eine biologisch gefertigte Nanoelektronik.
Die Zeit (PDF)



25.7.2004
Risiken der Nanotechnik: Die Stimmen mehren sich
Nanotechnik in der Schule
Neu & interessant
...und wieder Neues von den Wunderröhren: die obligatorische Nanotube Watch, Folge 3
Bücher

Risiken der Nanotechnik: Die Stimmen mehren sich

Die Debatte um die Risiken der Nanotechnik bekommt neuen Schwung. Denn diesmal sind es nicht nur alte Bekannte wie die ETC Group und Prince Charles, die erneut das Wort ergreifen, sondern auch der Panikmache gänzlich Unverdächtige: Versicherungen.

Die kanadische ETC Group hat im Juni ein "Update"veröffentlicht, in dem sie zusammenfasst und wie immer beißend kommentiert, was sich seit ihrem Vorstoß vor gut einem Jahr getan hat. Sowohl in der EU als auch in den USA haben sich erste Expertenrunden gefunden, die die Risikosituation diskutieren und teilweise auch schon Statements herausgegeben haben. Deren Tenor ist: Wir müssen rechtzeitig - "proaktiv", nicht reaktiv - die Risiken bewerten und dabei erst einmal alle bestehenden Gesetze zu Schadstoffen und Grenzwerten ausnutzen. Genau dies hält die ETC Group für schizophren, weil bereits 100 Nanoprodukte zum Teil seit Jahren auf dem Markt seien und deshalb von vorausschauender, proaktiver Risikoanalyse überhaupt nicht mehr die Rede sein könne (die Produktliste gibt es auf der Site der ETC Group). Politik und wissenschaftliche Gemeinde hätten vielmehr ebenso wie bei der Gentechnik den Start der Nanotechnik verschlafen und würden jetzt wieder der Entwicklung hinterherlaufen. Anders als vor einem Jahr fordert die ETC Group nicht mehr einen totalen Forschungsstopp für zwei Jahre, sondern die Einrichtung einer "International Convention on the Evaluation of New Technologies" (ICENT), die, ähnlich wie die UN-Klimawandel-Gruppe IPCC, Technikfolgenabschätzung auf globalem Level betreiben soll.

Nun wird die Situation dadurch erschwert, dass viele Substanzen im Nanometerbereich nicht nur andere Eigenschaften haben als ihre mikrometergroßen Verwandten (z.B. das in Sonnencremes verwendete Titandioxid wird in Nanokörnung giftig). Je nach Form der Partikel können diese Eigenschaften auch noch bei ein und demselben Material variieren. Davor, dass man folglich mit bestehenden Gesetzen mögliche gesundheitsschädigenden Wirkungen von Nanoteilchen nicht in den Griff bekommen kann, warnt nun auch die zweitgrößte Rückversicherung der Welt, die Swiss Re: "Toxikologische Studien können nicht einfach für bestimmte Teilchen durchgeführt und die Ergebnisse dann verbindlich auf alle anderen Nanopartikel übertragen werden. Solche Studien zu verallgemeinern wäre unzulässig. Müsste im Prinzip für jeden Stoff ein eigenes Sicherheitsblatt hergestellt werden, das über die toxischen Eigenschaften Auskunft gibt? Dies wäre ein ungeheurer Aufwand..." (Nanotechnologie. Kleine Teile, große Zukunft, April 2004 S. 37). Auch die Konkurrenz von Münchner Rück und Berkshire Hathaway Group (Nr. 1 und 3 der Rückversicherer) arbeitet derzeit an ersten Bestandsaufnahmen der Nanoteilchen-Problematik.

Damit bekommt die Debatte einen ganz neuen Tonfall: Die Nano-Community kann sich nicht mehr darauf zurückziehen, dass irgendwelche "Ludditen", also weltfremde Technikfeinde, haltloses Zeug von sich geben. Mit der Versicherungsbranche tritt erstmals ein Teil des Big Business, das ja seit einiger Zeit so heftig mit den faszinierenden Möglichkeiten der Nanotechnik umworben wird, in die Reihe der Skeptiker ein.

Wer allerdings Reaktionen auf Prince Charles' Meinungsbeitrag im britischen Independent vom 11. Juli liest, fragt sich, ob die Debatte nicht schon wieder in die eingefahrenen Gleise aus Konfrontation und Nicht-Zuhören läuft. Da wird ihm vorgehalten, er denke "verschwommen", nähre "Ängste" und ziehe "unzuverlässige Vergleiche" zu früheren Chemie-Skandalen. Dabei ist der Text wirklich moderat und von jedem Alarmismus entfernt: "Wichtig ist, mit einer ausgewogenen Debatte die Einführung solcher Technologien zu begleiten, die auf der Ebene der Grundbausteine des Lebens arbeiten", schreibt Charles.

Einer, der gänzlich unverdächtig ist, hat jüngst in einem Interview selbst über potenzielle Gefahren der Nanotechnik nachgedacht: der Physiknobelpreisträger Gerd Binnig. Zwar findet er den Hinweis auf eine mögliche toxische Wirkung von Nanoteilchen "etwas banal". Man müsse eben neue Substanzen auf Nebenwirkungen abklopfen, so wie man es bisher auch gemacht habe. Ihn beschäftigt "eine andere wichtige Frage: Macht sich der Mensch überflüssig?" Die Nanotechnik, sagt Binnig, werde langfristig die Fähigkeiten von Computern so enorm erweitern, dass "ein großes Netzwerkhirn" entstehen könnte, neben dem der Mensch unerheblich wird. Ein Gedanke, der nicht weit von den Warnungen eines Bill Joy entfernt ist (Warum die Zukunft uns nicht braucht, April 2000). Die Reflexe seiner Zunft kennt Binnig gut: "Natürlich schreien die Physiker auf, wenn einer so etwas zusammenschreibt." (Das ganze Interview mit Gerd Binnig)

Es hilft aber alles nichts: Nach einsamen Mahnern, Lobbygruppen und Versicherungsbranche muss der nächste Vorstoß in der Gefahrenanalyse der Nanotechnik aus der Forschergemeinde selbst kommen. Sie ist nun am Zug zu beweisen, dass sie eine "ausgewogene Debatte" führen kann und will.

Nanotechnik in der Schule

Ein sehr interessantes und überfälliges Projekt startet gerade der Verein "Nanotechnologie & Schule e.V." (www.nano-ev.de) aus Bonn. Gemeinsam mit Wissenschaft, Wirtschaft und Lehrmaterial-Produzenten erarbeitet er für die gymnasiale Mittelstufe ein Konzept für einen Nanotechnik-Themenblock im naturwissenschaftlichen Unterricht. Dabei will man bewusst auf die Trennung der Disziplinen Biologie, Physik und Chemie verzichten und den interdisziplinären Charakter der Nanotechnik vermitteln. Solch eine Herangehensweise an naturwissenschaftlichen Unterricht sei nach dem für deutsche Schulen nicht gerade berauschenden Ergebnis der PISA-Studie ohnehin überfällig, sagt der Vorsitzende Wolfgang Welz, der selbst als Physiker geforscht hat, bevor er Lehrer und später Leitender Regierungsschuldirektor im Regierungsbezirk Köln wurde. Das Konzept soll ab Anfang 2005 zunächst in Schulen in Nordrhein-Westfalen ausprobiert werden. Inmitten der vergifteten politischen Stimmung in dieser Republik, in der immer alle auf Initiativen "von oben" warten, ist dies ein gutes Beispiel, wie man Dinge von unten in Bewegung setzt. Und dazu noch im deutschen Schulwesen, dem ja kaum jemand etwas Gutes nachsagt.

Neu & interessant

Kleinste Teilchen gegen Krebs: Zwei weitere mögliche Therapien gegen Krebs haben Wissenschaftler der RWTH Aachen sowie der Rice University in Houston, Texas, kürzlich vorgestellt, die auf einen ähnlichen Effekt setzen wie die Magnetteilchen-Therapie gegen Hirntumore der Berliner Charité (s. a. Kap. 15. in "Nano?!"). Die Aachener Forscher verwenden Nanopartikel aus Polymeren, in den sowohl magnetische Körnchen als auch ein medizinischer Wirkstoff eingeschlossen sind. Legt man ein Wechselmagnetfeld an, schwingen die Körnchen und erhitzen dabei das Polymer. Das gibt dann eingelagertes Wasser ab und damit auch das Medikament. Diese Therapie soll gezielt gegen bisher nicht operierbare Lebertumore eingesetzt werden.
Die Texaner hingegen verwenden so genannte Nanoshells, die einen Kern aus Silizium und eine Hülle aus Gold haben und sich aus dem Blut heraus vor allem in Tumoren anlagern sollen. Die Nanoshells absorbieren dann einfallende Infrarotstrahlung, wobei die Wellenlänge davon abhängt, wie dick die Goldhülle im Verhältnis zum Siliziumkern ist. Die absorbierte Energie wird ebenfalls in Bewegung umgesetzt, wodurch die Shells die Tumorzellen erwärmen und absterben lassen.

Einblicke jenseits des Nanokosmos: Ist die Nanotechnik das Ende der Miniaturisierung, oder könnte es gar noch mit einer "Picotechnik" weitergehen? Zwei Forschungsgruppen ist es gelungen, mit einem besonders geschickten Aufbau eines Kraftmikroskops (kurz AFM) Strukturen aufzulösen, die noch wesentlich kleiner als der typische Nanokosmos zwischen einem und 100 Nanometern sind.
Normalerweise wird die Kraft, die zwischen AFM-Spitze und einem Probenatom wirkt, über den Hebel des AFM in eine messbare Verbiegung umgesetzt. In diesem Fall drehten die Physiker um Franz Gießibl von der Uni Augsburg den Spieß um und betrachteten das Oberflächenatom als Sonde, die AFM-Spitze hingegen als zu vermessendes Atom. Damit detektierten sie dann Oberschwingungen, die die Spitze im Kraftfeld des Oberflächenatoms ausführt und die einer Auslenkung von nur 77 Picometern (das sind 0,077 Nanometer!) entsprechen.
Physiker vom IBM Almaden Research Center in Kalifornien haben ein anderes Kunststück vollbracht: die "Abbildung" eines einzelnen Spins, also des magnetischen Moments eines Elementarteilchens. Hierzu konstruierten sie ein AFM mit einer magnetischen Spitze. Dessen Magnetfeld ist, vereinfacht gesagt, über der Oberfläche einer Probe so stark lokalisiert, dass der dort ausgelöste Effekt der magnetischen Resonanz in einem einzelnen Elektron über das AFM gemessen werden kann. Dieser Effekt wird in der Medizin seit langem in der Kernspin-Tomographie ausgenutzt. Bislang kann man damit aber nur eine Auflösung von einem Kubikmillimeter erreichen. Die MRFM (Magnetic Resonance Force Microscopy) getaufte Technik könnte einen Weg zu drastisch höher auflösenden Kernspintomographie-Aufnahmen weisen, hoffen die IBM-Forscher, die ihre Arbeit im Wissenschaftsmagazin Nature veröffentlicht haben (Krebsinformation.de: Wie funktioniert eine Kernspintomographie?).

Zwei Nanofilter: Zwei neue Filtertechnologien sollen arsenverseuchtes Grundwasser, das vor allem in Bangladesh seit einigen Jahren Millionen von Menschen bedroht (dabei handelt es sich jedoch nicht um Industriemüll), wieder trinkbar machen, schreibt das Magazin Small Times. Die US-Firma Inframat will Arsen mit Hilfe von Nanofasern aus Mangandioxid herausfiltern, da beide Stoffe sich bekanntermaßen leicht miteinander verbinden. Die Forscher vom Pacific Northwest National Laboratory setzen hingegen auf so genannte Self-Assembling Monolayer (SAM, s. a. Kap. 7 in "Nano?"), also einlagige Molekülschichten, die wie ein Teppich auf einer keramischen Oberfläche aufgebracht werden. Das Kunststück ist hierbei, Moleküle zu finden, deren eines Ende an einer keramischen Verbindung haftet, während das andere sich ganz gezielt mit Schadstoffatomen verbindet. Tests mit einem auf Quecksilber zugeschnittenen SAM-Filter konnten 99 Prozent des giftigen Metalls aus einer Flüssigkeit heraus absorbieren.

Besonders flüssiges Wasser: Wissenschaftler um Alexander Kolesnikov am amerikanischen Argonne National Laboratory haben das Fließverhalten von Wasser im Innern von Kohlenstoff-Nanotubes untersucht. Dabei stellten sie fest, dass das Wasser innerhalb der Röhrenwand eine Art hauchdünne Eisschicht bildet und im Innern einen extrem schmalen Kanal freilässt, durch den das Wasser fließen kann. Dabei ist dann aber die Wechselwirkung über die so genannten Wasserstoffbrücken des Wassers - also zwischen dem Wasserstoffatom eines Moleküls und dem Sauerstoffatom eines anderen - so geschwächt, dass die Wassermoleküle besser hindurchflutschen. Das Wasser ist "flüssiger". Was wie eine weitere wissenschaftliche Kuriosität anmutet, könnte aber Bedeutung etwa beim Design von Biochips haben, auf denen Flüssigkeiten durch die winzige Kanäle in Reaktionskammern geleitet werden.

Ein Laserpinzette für Nanotubes: Kohlenstoff-Nanotubes zu bewegen gleicht einem Geduldspiel: Bislang nutzen Nanotechniker hierzu die Hebel eines Kraftmikroskops, mit denen sie die Röhren so lange hin und her ziehen und schieben, bis sie genauso liegen wie für ein Experiment gewünscht. Amerikanische Forscher haben nun eine so genannte Laserfalle derart umgebaut, dass sie darin einzelne Nanotubes festhalten und bewegen konnten. Quasi eine Pinzette aus Licht. Laserfallen werden seit längerem dazu benutzt, einzelne Zellen in Biolaboren zu handhaben. Wenn das besonders reine und energiereiche Laserlicht auf ein sehr kleines Objekt trifft, wird es nicht nur einfach reflektiert, sondern gibt diesem auch einen Bewegungsimpuls mit - und zwar um so stärker in Richtung der zentralen Achse des Laserstrahls, je weiter das Objekt von genau dieser Achse entfernt ist. Auf diese Weise tanzt es immer wieder ins Innere des Laserstrahls zurück (Grafik aus New Scientist). Schießt man mehrere Laserstrahlen von verschiedenen Seiten auf das Objekt, kann man es an einem bestimmten Punkt festhalten. Die entscheidende Änderung der Anordnung durch die Forscher aus New York und Chicago bestand darin, die Anzahl der verwendeten Laserstrahlen deutlich zu vergrößern: statt acht, wie bei Zellexperimenten normal, warfen sie 200 Strahlen auf die Nanotubes. Dies erreichten sie, indem sie die Laserstrahlen in "Beam Splitter" (Strahlteiler) genannten Kristallen teilten. Mit ihrer Laserpinzette konnten sie bequem Nanotubes auf einer Oberfläche zu Drei-, Vier- oder Fünfecken zusammenschieben.

Ein "Nanoläufer" aus DNS: Nanoroboter geistern ja seit Jahren durch Medien und Köpfe. Obwohl weit und breit kein Design für solch eine Maschine in Sicht ist, tauchen doch in regelmäßigen Abständen Experimente auf, die zumindest ein Mosaiksteinchen zu dieser eigenartigen Vision hinzufügen. Eins ist der "Nanoläufer" aus kurzen Strängen des Genmaterials DNS, den New Yorker Forscher um Nadrian Seeman im Mai vorgestellt haben. Dabei handelt es sich um zwei DNS-Einzelstränge, die an einem Ende miteinander verbunden sind, während die Basen der jeweils anderen Enden – die "Füße" – sich mit den Basen einer Art DNS-Schiene verbinden können. Seeman und seine Kollegen können mit Hilfe von bestimmten Molekülen die so entstandenen Basenpaare zwischen Fuß und Schiene wieder lösen, als ob sich der Fuß vom Untergrund hebt. Viele Schritte kann der Nanoläufer noch nicht machen. Seeman sieht für ihn aber bereits eine mögliche Anwendung: Er könnte wie ein Träger auf einer Nano-Baustelle andere Moleküle hin und her transportieren, in dem er Pfade aus DNS-Schienen "abläuft", deren Basenpaarabfolge genau zur Reihenfolge der Basenpaare an den "Füßen" des Nanoläufers passt.

...und wieder Neues von den Wunderröhren: die obligatorische Nanotube Watch, Folge 3

Dass die Kohlenstoff-Nanoröhren, Nanotubes genannt, ein Material sind, das im Labor zwar schon viel kann, aber in der rauen Wirklichkeit von Produkten noch nicht sehr erfolgreich ist, habe ich in einem älteren Beitrag bereits erwähnt. Tatsächlich dreht sich aber ein guter Teil aller Nanoforschungsnachrichten um die Wunderröhren, so dass ich ab jetzt einfach eine regelmäßige Rubrik "Nanotube Watch" einrichte.

GEs Nanotube-Diode: General Electric (GE) verkündete Anfang Juli mit viel Fanfare, eine Nanotube-Diode konstruiert zu haben, also ein elektronisches Bauteil, bei dem Strom nur in einer Richtung passieren kann - ähnlich wie bei einem Fahrradventil, das Luft auch nur in einer Richtung durchlässt. Die zwei Hälften einer Nanotube wurden dabei so manipuliert, dass die eine wie ein negativ dotierter Halbleiter wirkt, die andere wie ein positiv dotierter. Allerdings wurde die Röhre nicht wirklich dotiert, d.h. es wurden keine Atome zur gezielten Verunreinigung hinzugefügt. Der Effekt wurde durch Anlegen von elektrischen Feldern erreicht, und das ist das eigentlich neue der Arbeit. GE-Nanotechnik-Forschungsleiterin Margaret Blohm beeilte sich dennoch, ein wenig Hype zu entfachen der Art, dass Nanotube-Schaltkreise die Zukunft der Prozessortechnik sein könnten. Allein, niemand weiß bislang, wie man auch nur 100.000 Nanotubes gezielt in einem Schritt anordnen könnte. Die GE-Forscher brachten es bei ihrem Dioden-Versuch immerhin auf 400 Nanotubes pro Quadratzentimeter, bei Durchmessern von 0,5 bis 30 Nanometern. (detaillierter Artikel aus Nanotechweb.org, englisch)

Nanteros N-RAM: Nicht nur Transistoren und Dioden sollen künftig aus Nanotubes bestehen. Auch in Speichern sollen sie eine Hauptrolle spielen. Die US-Firma Nantero (Woburn, Massachusetts) hat hierzu das Konzept eines NRAM, also eines Arbeitsspeichers auf Nanotube-Basis entwickelt. Im Unterschied zu heute in PCs eingesetzten DRAM-Speichern soll NRAM schneller schaltbar sein. Das Prinzip ist einfach: Über einem "Tal" aus Silizium liegt wie ein langer Baumstamm eine Nanoröhre. Legt man nun zwischen Silizium und Röhre eine Spannung an, biegt sich diese nach unten und berührt schließlich das Silizium - es gibt einen Kurzschluss, der für den Bitwert "1" stehen kann. Nantero bietet hierzu eine schöne Flash-Animation. Aber auch hier ist wieder das Problem der Masse: Wie ein NRAM-Chip mit Millionen von exakt angeordneten Nanotubes gebaut werden könnte, weiß man auch bei Nantero noch nicht.

Nanowings:Kohlenstoff ist immer für eine Überraschung gut. Eine bizarre Veränderung von Nanoröhren haben Forscher am Argonne National Laboratory per Zufall entdeckt: den "Nanowing". Eigentlich wollten sie auf einen Wald aufrecht stehender Nanotubes ein Plasma aus Kohlenstoffatomen "regnen" lassen, so dass sich an den Röhrenende kleine Diamantspitzen bilden. Das Plasma blies aber die meisten Nanotubes um wie Getreidehalme im Sturm. An den liegenden Röhren entstanden daraufhin Löcher in der Seite, an die sich neue Kohlenstoffatome ablagerten. Das Ergebnis waren flügelartige Auswüchse, fast wie Tragflächen eines Flugzeugs, weshalb die Forscher auch witzelten, man habe hier wohl "fliegende Nanotubes" entdeckt. Eine mögliche praktische Anwendung könnte sein, dass die Flügel als Verankerung für Polymere oder andere organische Moleküle genutzt werden könnten. Das klingt allerdings etwas gezwungen, weil heutzutage ja jedes Forschungsergebnis gleich eine Anwendung haben soll. Vielleicht werden die Nanowings einfach eine hübsche Kuriosität der Wissenschaft bleiben.

Nanotubes Report 2004: Die nach eigenen Angaben erste Marktstudie zu Nanotubes hat Research and Markets aus Dublin kürzlich vorgelegt. 44 internationale Hersteller der Moleküle sind darin berücksichtigt. Der Report klopft sämtliche Anwendungen für die Röhrchen ab, die derzeit im Gespräch oder schon in der Praxis sind. Leider er ist nicht billig: Sowohl als Hardcover als auch als Datei kostet The Nanotubes Report 2004 2.595 Euro. Und da sage noch einer, mit Nanotubes könne man kein Geld verdienen.

Bücher

Zwei neue Bücher für alle, die es genauer wissen wollen, als in "Nano?!" notgedrungen möglich war, seien zum Schluss noch erwähnt. Das eine ist Nano + Mikrotech II, der zweite, 430-seitige Band von Thomas Ilfrich und Gina-V. S. Kunert. Thomas Ilfrich ist auch Betreiber der Nanonachrichtenseite nano.ivcon.org. Vom Ende des ersten Bandes, also März 2002, bis Februar 2003 sind dort aktuelle Entwicklung aller "kleinen" Technologien dokumentiert. Damit entwickelt sich Ilfrichs Buch wohl zum Jahrbuch der Nanotechnik.

Wer es ganz genau wissen will, für den hat der Heidelberger Springer-Verlag (nicht zu verwechseln mit dem Zeitungsverlag aus Hamburg) einen wahren Backstein herausgegeben: das Springer Handbook of Nanotechnology. Auf mehr als 1200 Seiten haben mehr als 90 Forscher einen systematischen wissenschaftlichen Abriss einiger Kerngebiete der Nanotechnik beschrieben (das sind allerdings keine Lesestücke: in dem Buch gibt es auch mathematische Formeln). Die beziehen sich allerdings besonders auf die physikalische Nanotechnik und Nanoelektronik. Nanobiotechnik, aber auch Varianten der Selbstorganisation als Nanowerkzeug sind nicht in das Buch aufgenommen worden. Auf der Webseite zum Buch gibt es ein Probekapitel, das Inhaltsverzeichnis und die Systemanforderungen für die mitgelieferte CD.

9.6.2004

Nano im Auto
Drexlers Weg vom Assembler zum Personal Fabricator
Nanotubes Take 2
Nanopolitik


Nano im Auto

Die deutsche Innovationsdebatte schwankt zwischen Beschwörung und Lamento. Kaum eine Woche, in der nicht gebetsmühlenartig ein neues Mind Set für den "Standort D" gefordert wird: Mehr Risikobereitschaft, mehr unternehmerischer Mut, mehr Hightech. Weg von den klassischen Industrien Automobil, Chemie und Maschinenbau. Sicher, außer SAP gibt es keinen echten großen IT-Konzern hierzulande (wenn man von Siemens, das sich längst dorthin entwickelt hat, einmal absieht). Doch gerade in der Nanotechnik mischen die "klassischen" Industriezweige längst mit – unter anderem die vielgescholtene Autoindustrie. VW, DaimlerChrysler, Opel, BMW, sie alle haben begonnen, systematisch auszuloten, wie sie ihr Produkt nanotechnisch verbessern können.

Die Anwendungsmöglichkeiten sind erstaunlich: Neue Lacke, Nanokatalysatoren für einen effizienteren Spritverbrauch, Scheiben, die sich von selbst verdunkeln, schwer entflammbare Kunststoffe aus Nanokompositen für Benzinleitungen, verbesserte Membranen in Brennstoffzellen (die als Auto-Energiequelle der Zukunft gelten), mit Nanopartikeln verstärkte Bleche, die dünner und damit leichter sein können als bisher, ja sogar an einer Solarzellenhaut auf der Basis von Grätzelzellen (s. a. Kap. 16 in Nano?!) wird geforscht. Hier zeigt sich einmal mehr, dass die Nanotechnik bisher weniger von einem typischen Produkt geprägt wird – so wie die Informationstechnik vom transistor-basierten Rechner – als von einer systematischen Verbesserung vieler heutiger Produkte.

„Die Nanotechnik kann viel zu mehr Sicherheit, Ökologie und Komfort von Autos beitragen“, sagt Ulf König von DaimlerChrysler, auf dessen Initiative die Leitinnovation „NanoMobil“ des Bundesforschungsministeriums maßgeblich zurückgeht. Wer wissen will, wie das nano-getunete Auto aussehen könnte, sollte diesen neuen Text lesen:
"Mit Vollgas in die Nanowelt", am 27.5. in der ZEIT erschienen (4,3 MB, Download dauert etwas), oder alternativ die komplette Fassung (allerdings ohne Grafiken).

Drexlers Weg vom Assembler zum Personal Fabricator

1986 beschrieb Eric Drexler in seinem Buch Engines of Creation erstmals das Konzept einer molekularen Fabrik, den so genannten Assembler, der sich selbst vervielfältigen kann. Milliarden von ihnen könnten eines Tages aus Molekülen jeden beliebigen Gegenstand in atemberaubender Geschwindigkeit extrem billig zusammenbauen und damit unsere bisherige Vorstellung von industrieller Produktion über den Haufen werfen. Wie er sich das vorgestellt hat, können Sie in einem Auszug aus Nano?!, Kap. 18, bei dem empfehlenswerten Wissenschafts-Onlinemagazin Morgenwelt lesen.

Diese Vision hat ihm einige Verehrer und wenig Freunde gebracht. Ein großer Teil der Scientific Community hielt das Konzept für unwissenschaftlich, und kritische Zeitgenossen gruselten sich vor der Möglichkeit, diese Nanomaschinen könnten außer Kontrolle geraten, sich auf Lebewesen stürzen und diese in deren Bestandteilen zerlegen, um Kopien ihrer selbst anzufertigen. Das Gespenst des "Replikators" war geboren, einer winzigen lebensähnlichen Maschine, die die Biosphäre der Erde zerstören könnte. Drexler selbst hat von Anfang vor dieser Möglichkeit gewarnt, aber lange Zeit betont, dass die wahre Nanotechnologie nur eine "molecular nanotechnology" auf Basis dieser Assembler sein könne. Die Frage sei auch nicht, ob, sondern nur wann sie Realität würden. Das Risiko des Amoklaufs sei zwangsläufig, weshalb schon heute Sicherheitsrichtlinien für diese künftige Technologie entworfen werden müssten.

Just heute hat er ein bemerkenswertes Paper veröffentlicht (zusammen mit Chris Phoenix), in dem er einräumt, dass eine künftige molekulare Nanotechnologie auch ohne selbst-replizierende Assembler möglich sein könnte. Mehr noch, sie sei vom Ingenieurstandpunkt einfacher zu entwickeln, wenn man nicht noch einen Bordcomputer und einen Bauplan einbauen müsse, mit deren Hilfe sich der Assembler vervielfältigen könne. Statt dessen schwebt Drexler nun ein wesentlich simpleres System vor, in dem zahllose "dumme" Nanogreifarme in einer kleinen Box, etwa auf einem Tisch, Gegenstände aus Atomen und Molekülen zusammenbauen. "Die typische Produktionseinheit molekularer Nanotechnologie ist deshalb von makroskopischen Dimensionen und nicht mobiler als ein Drucker", schreiben er und Phoenix im Journal Nanotechnology: "Safe Exponential Manufacturing" (kostenloser Download, einmalige Registrierung nötig).

Das ist nichts weniger als das Eingeständnis, dass sein ursprüngliches Konzept utopisch und übertrieben war. Und: Mit dieser Neuausrichtung seines Konzepts bewegen sich Drexler und sein Lager auf die wesentlich realistischere und hochinteressante Idee eines Personal Fabricators zu, das der US-Physiker Neil Gershenfeld seit einigen Jahren mit seinen Studenten am MIT entwickelt (mehr dazu: "Atoms at Your Fingertips", ein Artikel, den ich vergangenes Jahr für GEO geschrieben habe).

Nanotubes Take 2

Dass die Nanotubes, jene röhrenförmigen Kohlenstoffmoleküle, bislang nicht über das Stadium des "ewigen Talents" (ein zweifelhafter Titel, der auch Fussballern wie Hansi Müller oder Andi Möller verliehen wurde ;-) ) hinausgekommen sind, hatte ich im letzten Eintrag geschrieben. Die ZEIT hat kürzlich die Zweifel an dem Wundermolekül in dem Artikel "In die Röhre geguckt" einmal zusammengefasst. Mancher Nanotube-Experte fand allerdings, dass hier das Kind mit dem Bade ausgeschüttet worden sei.

David Tomanek von der Michigan State University will die Kritik so nicht gelten lassen: "Gerne gebe ich zu, dass auf dem Gebiet der Nanotubes – wie auch in anderen Fachgebieten – vieles mit einer rosa Brille vorgestellt wurde... Vorbei an der etwas vorlauten, langsam verklingenden Euphorie über Kohlenstoff-Nanostrukturen wie Fullerene und Nanotubes, kommt leise die Entwicklung in der Nanotechnologie voran. Von der Öffentlichkeit unbemerkt, kommen auch Kohlenstoff-Nanoröhrchen zur kommerziellen Anwendung. Der hart urteilende Journalist ist sich wahrscheinlich nicht dessen bewusst, dass 60% aller neuen Lithium-Ion Batterien, inklusive derjenigen in seinem portablen Computer und seinem Handy, Nanotubes enthalten. Diese fortschrittlichen Batterien, die im Vergleich zu herkömmlichen Batterien viele Male mehr aufgeladen werden können, ohne Verlusterscheinungen zu zeigen, geben Japan einen Vorsprung auch in der Umweltfreundlichkeit. Das gleiche gilt von einer neuen Generation von Autobatterien, welche dank nanodispersen Kohlenstoff-Fasern und Nanotubes doppelt so lange halten. Nanotubes verschaffen auch speziellen Lautsprechern der japanischen Firma Sony einen soliden Vorsprung. Die Markteinführung des Hochdefinitions-Flachfernsehers mit Nanotube Emittern durch die koreanische Firma Samsung scheint nur eine Frage der Zeit – wahscheinlich von Monaten, nicht Jahren. Die Liste derzeitiger kommerzieller Anwendungen lässt sich weiterfürhren – dies knapp fünfzehn Jahre nach der Entdeckung der Nanotubes."

Tatsächlich melden auch in den vergangenen Wochen Forscher neue Erkenntnisse über die Kohlenstoffröhrchen. Die interessanteste ist die der chinesischen Physiker Jinquan und Bingqing Wei, dass sich Fasern aus Nanotubes hervorragend als Glühdrähte für Glühbirnen eignen. Sie emittieren bei einer vorgegebenen Spannung mehr Licht als die herkömmlichen Wolframdrähte. Die Nanotube-Drähte funktionierten auch nach 5000maligem An- und Ausschalten einwandfrei. Bingqing Wei schätzt, dass Nanotube-Glühbirnen schon in drei bis fünf Jahren auf den Markt kommen könnten (PhysicsWeb: "Nanobulbs make their debut").

Nanopolitik

Auch im Bundestag wird die Nanotechnik nun Thema. Anfang Mai hat die SPD-Bundestagsfraktion einen Antrag an die Bundesregierung – Aufbruch in den Nanokosmos – Chancen nutzen, Risiken abschätzen – eingereicht, der sich nun auf seinem Weg durch die parlamentarischen Instanzen befindet. Der Antrag fordert insbesondere:

"...
# elektronische im Rahmen der Arbeit der Kompetenzzentren Nanotechnologie verstärkt Qualifizierungsmaßnahmen für Lehrer und Multiplikatoren durchzuführen und mit Veranstaltungen, Internetauftritten, Veröffentlichungen und weiteren Initiativen gezielt Schülerinnen und Schüler für Naturwissenschaften im Allgemeinen und die Nanotechnologie im Besonderen zu interessieren, um einem Mangel an qualifizierten Fachleuten auch auf diesem Wege frühzeitig entgegenzuwirken...

# unter Berücksichtigung der Ergebnisse der Studie „Nanotechnologie und Gesundheit“ die Forschungsanstrengungen über potentielle Umwelt- und Gesundheitswirkungen der Nanotechnologie erheblich zu verstärken...

#...eine zentrale Informationsquelle für die breite Öffentlichkeit zum Thema Nanotechnologie einzurichten...

#...eine Diskussion über Rüstungskontrollfragen im Bereich der militärischen Nutzung von Nanotechnologie zu initiieren..."

Die SPD-Abgeordnete Ulla Burchard zur Motivation des Antrags: "Die Nanotechnologie muss raus aus den exklusiven Expertenzirkeln und rein in die Gesellschaft!" Recht hat sie. Hoffen wir, dass Schröder seine Parteifreunde nicht auch hier düpiert.

26.4.2004
Hype und Realität
Wie gefährlich ist die Nanotechnik?
Nanotubes - das ewige Talent
Neu und interessant


Hype und Realität

Die Fieberkurve der Nanotechnik steigt. Im vergangenen Jahr hatte der Forbes Nanotechnology Report 2003 die Situtation mit dem Internet 1993 verglichen: Der Begriff selbst hat sich schon herumgesprochen, es fehlt nur noch ein Katalysator, der ihn für die Öffentlichkeit mit Leben erfüllt. An den Börsen hat die Nanotechnik hingegen bereits die volle Aufmerksamkeit, die Bullen scharren mit den Hufen - obwohl auch dort nicht jeder weiß, worum es sich handelt. Im Dezember verfünffachte sich plötzlich der Tageshandel der kalifornischen Firma Nanometrics, die unter dem Kürzel "NANO" gelistet ist. Dumme Sache nur: Nanometrics existiert seit Ende der Siebziger und hat mit Nanotechnik nichts zu tun. Mit ihren Werkzeugen können Chiphersteller die Schichten auf Siliziumwafern vermessen.

Am 1. April startete nun das bekannte Investmenthaus Merrill Lynch einen Nanotechnik-Index, der 25 Firmen umfasst. Es ist zwar nicht der erste Index dieser Art, aber er hat sich bereits den Zorn der Konkurrenz zugezogen. Die Investmentfirma Asensio beschwerte sich beim New Yorker Justizminister Eliot Spitzer, das Etikett "nano" werde hier von Merril Lynch als Zugpferd missbraucht, weil einige der 25 Firmen nichts mit Nanotechnik zu tun hätten.

Hierin zeigt sich ein echtes Problem: Die Definition, was Nanotechnik ist, ist so weit gefasst – Manipulation/Nutzung von Strukturen unter 100 Nanometern Größe –, dass gerne alles, was irgendwie mit Molekülen zu tun hat, dazu gerechnet wird. Ein weiteres Problem sind die herumgeisternden Marktprognosen, die einen Gesamtumsatz für nanotechnische Produkte und Dienstleistungen von bis zu einer Billion Dollar für 2015 vorhersagen. Sicher ist zu erwarten, dass dann bei vielen Produkten irgendwo in ihrer Herstellung Nanotechnik zum Einsatz kommt. Aber kann man in eine Marktprognose, sagen wir, den Wert einer kompletten Festplatte einrechnen, wenn nur der Schreiblesekopf echte Nanotechnik ist? Autos werden ja auch nicht dem IT-Markt zugeschlagen, nur weil sie heute eine ordentliche Ansammlung von eingebauten Chips auf vier Rädern sind. Inmitten des aufkeimenden Hypes bringt die Nanotech-"Realistic Market Evaluation" von BCC Research etwas Ruhe hinein. BCC schätzt den NT-Weltmarkt im Jahre 2008 auf recht bescheidene 28,7 Milliarden Dollar. Details dazu gibt es auch in meinem aktuellen Artikel in der Technology Review (Mai-Ausgabe, online gibt es eine Zusammenfassung).

Wie gefährlich ist die Nanotechnik?

Viele Menschen werden sich fragen: Worauf lassen wir uns mit der Nanotechnik eigentlich ein? Wenn erst einmal die Rückkopplung aus Finanzmärkten, Medien und der Nano-Community richtig in Schwung gekommen ist, stehen wir dann wieder vor vollendeten Tatsachen wie bei so vielen technischen Wellen vorher? Klar ist: Es gibt Risiken. Und zwar nicht die berüchtigten Nanoroboter, zu deren Bau es bislang nur theoretische Konzepte, doch nicht die Spur eines machbaren Ansatzes gibt. Es sind die Nanoteilchen, die ihre verblüffenden Eigenschaften offenbar nicht nur im Guten entfalten können. Ende März veröffentlichte die amerikanische Toxikologin Eva Oberdörster beunruhigende Forschungsergebnisse. Sie hatte in einen 10-Liter-Aquarium Buckyballs gegeben, jene fussballförmigen Kohlenstoffmoleküle, die als Wundermaterial der Nanotechnik gehandelt werden (in einer Dosis von 0,5 Teilchen auf eine Million Wassermoleküle). 48 Stunden später ließen sich bei den Fischen im Aquarium Hirnschäden feststellen.

Bereits im Januar hatte Eva Oberdörsters Vater Günter Oberdörster (s.a. Kap. 20 in Nano?!), einer der führenden Experten auf dem Gebiet der Nanotoxikologie, eine Untersuchung an Ratten veröffentlicht, nach der 35 Nanometer kleine Teilchen über den Riechnerv ins Geruchszentrum des Gehirns gewandert waren. Anfang April fragte Kathy Jo Wetter, Aktivistin der kanadischen ETC-Group, die als erste auf die Gefahren von Nanoteilchen hingewiesen hat, gegenüber Wired News denn auch: "Wie viele Studien, die eine Toxizität [von Nanopartikeln] belegen, sind noch nötig, bevor der Gesetzgeber einschreitet?".

Der Physiknobelpreisträger Gerd Binnig, einer der Erfinder des Rastertunnelmikroskops, findet diese Debatte allerdings "etwas banal". Chemische und Pharma-Industrie würden sich schließlich seit langem mit dem Thema beschäftigen. "Da gibt es etablierte Kontrollmechanismen: Man muss neue Materialien auf toxische Nebenwirkungen abklopfen", sagt Binnig. "Das gilt natürlich auch für 'Nano-Materialien'." Tatsächlich kommen Nanopartikel in der Natur seit eh und je vor. Forscher der University of California Davis haben kürzlich erst darauf hingewiesen, dass diese auch in der Erdatmosphäre entstehen. Möglicherweise seien sie ein wichtiges Mosaiksteinchen in den immer noch unvollständigen Modellen der Klimaforscher.

Die Bundesregierung nimmt die Debatte nicht auf die leichte Schulter. Sie hat unter anderem zwei Studien in Auftrag gegeben, die die gesundheitliche Auswirkungen sowie allgemeine Chancen und Risiken der Nanotechnik untersuchen sollen.

Nanotubes - das ewige Talent

Wer in die Wissenschaftsnews schaut, wird ziemlich regelmäßig tolle Geschichten über "Carbon Nanotubes", die 1991 entdeckten röhrenförmigen Kohlenstoffmoleküle, finden. Zum Beispiel gelten sie seit einigen Jahren als Kandidat für neue Transistoren. Im Gegensatz zu den derzeit schmalsten Chipdrähten von 90 Nanometern Durchmesser sind sie Fäden von einem bis wenigen Nanometern Durchmesser. Im März berichteten Wissenschaftler der Duke University, sie hätten einen neuen Transistor aus Nanotubes geschaffen. Forscher der Universität Berkeley hatten im Januar gar einen integrierten Schaltkreis aus den Röhrchen vorgestellt. Doch sie alle können die Frage nicht beantworten, wie man von dem einen Prototyp zu den Millionen Transistoren kommt, die heute einen Chip ausmachen und in kürzester Zeit ganz billig produziert werden müssen. Fast scheint es, Nanotubes seien ein grandioses Spielzeug für die männlich dominierte Physik-Community.

Eine mögliche wichtige Anwendung, die sich inzwischen als Flop entpuppt hat, waren Nanotubes als Wasserstoff-Speichermaterial für Brennstoffzellen. Versuche eines Forschungsteams Ende der 90er hatten gezeigt, dass sie offenbar enorm viel Wasserstoff binden können. Doch niemandem gelang es, die Versuche zu wiederholen. Wie sich zeigte, waren die Röhrchen mit Titanatomen verschmutzt worden, und dieses hatte den Wasserstoff gebunden. Inzwischen haben sich andere Nanomaterialien als bessere Kandidaten erwiesen (s. a. Kap. 16 in Nano?!).

Neu und interessant

Bleiben wir noch kurz bei den Kohlenstoffröhren. Die Spielerei hat nämlich erneut etwas Aufregendes zutage gefördert: Nanotubes können unter bestimmten Umständen Infrarotlicht aussenden. "Das macht sie zu den kleinsten elektrisch kontrollierbaren Lichtquellen der Welt", verkündet James Misewich vom US-Forschungszentrum Brookhaven. Sicher, Herr Misewich, nur wie kann man die winzigen Biester mechanisch kontrollieren? Wie bekommt man sie zu Tausenden, ja Millionen in einem brauchbaren Muster angeordnet, das sich auch makroskopisch nutzen lässt?

Und noch einmal Kohlenstoff, aber dann ist auch wirklich Schluss damit für heute. Neben seinen beiden natürlichen Formen Graphit und Diamant gibt es die "Nanoformen" der oben erwähnten Buckyballs sowie die Nanotubes. Nun ist eine fünfte Form entdeckt worden: magnetischer Kohlenstoffschaum. Das ist wirklich verblüffend, denn Kohlenstoff gehörte bisher nicht zu den magnetischen oder magetisierbaren Materialien. Entdeckt wurde der Schaum an der Universität Canberra in Australien, analysiert an der Universität Kreta. Schon wird, wie es sich heute für Forscher zu gehören scheint, spekuliert, was man damit machen kann. Potenzielle Anwendungen gebe es in der Medizin, heißt es.

Während Nanotubes zwar faszinierend vielfältig, aber schwierig zu handhaben sind, ist das biologische Erbmaterial DNS das reinste "Nano-Lego". Weil das Fadenmolekül aus zwei Strängen besteht, deren "Zacken" (d.h. Basenpaare) wie Schlüssel und Schloss zusammenpassen, kann man aus Einzelsträngen auch richtige Strukturen bauen (s.a. Kap. 10 in Nano?!). Forscher der Uni München haben aus solchen Strängen jetzt sogar eine Art Greifhand konstruiert, mit der Proteine aufgenommen und wieder losgelassen werden können. Die DNS ist der bisher vielversprechendste Ansatz, die nötige Brücke von nano zu makro zu bauen, indem Millionen Bausteine chemisch in Sekundenbruchteilen zusammengefügt werden. Einen guten Überblick gibt der kürzlich verfasste Text "Maschinen aus Erbmolekülen" des Münchner Physikers Friedrich Simmel.

Mit dem ökonomischen Hype habe ich angefangen. Doch es gibt natürlich schon Nanotechprodukte. Zum Schluss sollen deshalb zwei von ihnen kurz vorgestellt werden. Das eine ist der Gen-Analysator der US-Firma Nanosphere, in dem kleine DNS-Einzelstränge an Goldnanoteilchen befestigt sind. Gegenwärtig sind das zwei, die jeweils das Gegenstück zu mit Thrombose assoziierten Gensequenzen darstellen. Lagern sich Teststrang und Original aneinander an, wird ein Signal erzeugt. Der Vorteil des "Verigene ID" genannten Geräts gegenüber bisherigen ist, dass damit mehrere Sequenzen gleichzeitig analysiert werden können. Die Instant-Genanalyse rückt damit wieder einen kleinen Schritt näher.

Noch in der Entwicklung ist das Taschenelektronenmikroskop der kalifornischen Firma NOVELX. "Es soll so einfach wie ein optisches Mikroskop zu bedienen sein", sagt Cheftechniker James Spallas im Magazin Small Times. Das Design steht offenbar schon. Unklar ist nur, ob es NOVELX gelingen wird, die Geräte für unter 1000 Dollar zu produzieren, um guten Lichtmikroskopen konkurrieren zu können. Gelingt das den Kaliforniern, würde nach Rastertunnel- und Kraftmikroskop auch das dritte bedeutende Nanoinstrument zu einem Werkzeug, das auch für Garagen und Bastelkeller in den Bereich des Möglichen rutscht. Es ist möglicherweise genau diese alltägliche Verbreitung von Nanowerkzeugen, die das neue Technikfeld irgendwann vor Kreativität bersten lässt - genauso wie Computertechnik, Netzwerke, Internet erst dann zum Massenphänomen wurden, als bezahlbare Rechner die Wohnungen der Nichtexperten eroberten.

18.3.2004
Wie das „Feuerross“ des Wilden Westens arbeitet sich der unter Hochdampf dahinrasende Nanotech-Zug in unerschlossene Territorien voran.
Seit Ende letzten Jahres, als ich die Fahnen zum „Nano?!“-Buch durchging, hat er eine gute Strecke zurückgelegt. Hier sind einige Wegmarken:
Mehr Geld
Mehr Öffentlichkeitsarbeit?
Auf dem Weg zu Nanomaschinen?
Nanotube-Fasern und Virendrähte

Mehr Geld

In der vergangenen Woche stellte Bundesforschungsministerin Bulmahn das neue Rahmenkonzept zur Förderung der Nanotechnik vor. Für vier Leitinnovationen: NanoMobil (in der Autoproduktion), NanoFab (in der Halbleitertechnik), NanoLux (für neue Optik-Technologien) und NanoForLife (in der Medizin und Biotechnik) werden in den nächsten vier Jahren 200 Millionen Euro zur Verfügung gestellt. Das sind vier griffige Namen, eine sehr gute Idee, weil die Nanotechnik es dringend nötig hat, aus der akademischen Welt der Grundlagenforschung herauszukommen und für die Öffentlichkeit begreifbar zu werden. Denn dass die Nanoforscher mit Begeisterung bei der Sache sind, genügt demnächst nicht mehr. Die Begeisterung muss auch anstecken, sonst könnte es passieren, dass dem neuen Technikfeld ähnliche PR-Debakel drohen wie der Biotechnik in den Neunzigern (s.a. Kap. 21 in Nano?!).

Das Konzept hinter den prägnanten Namen ist aber nicht einfach als Industrieförderung gedacht. Vielmehr stehe dahinter die Erkenntnis, heißt es im Ministerium, dass es nicht darum gehen kann, eine ganz neue Industrie von null aus dem Boden zu stampfen, sondern die hierzulande vorhandenen großen Branchen – Autobau, Elektronik, Elektrotechnik und Medizintechnik mit all ihren Zuliefereren – als Katalysatoren für Fortschritt in der Nanotechnik zu nutzen.

Denn schon jetzt ist klar, dass nach dem Web-Rausch der Neunziger der nächste große Technikwettlauf unter den Industrieländern begonnen hat. Bereits Anfang Dezember 2003 unterzeichnete George W. Bush den „ 21st Century Nanotechnology Research and Development Act“, den Nachfolger zu Bill Clintons „National Nanotechnology Initiative“ von 2000. Die US-Regierung wird allein in diesem Jahr 847 Millionen Dollar in die Nanotechnik stecken.

Das mag angesichts der gut 293 Millionen Euro, die die Bundesregierung in diesem Jahr insgesamt an Nanoförderung ausgibt, überwältigend wirken. „Bezogen auf das Bruttosozialprodukt ist die deutsche Nanotech-Förderung aber höher als die der USA“, sagt Josh Wolfe von Lux Capital, der Kopf hinter dem Forbes Nanotech Report. „Das ist schon beeindruckend.“ Wolfe ist der führende Nano-Analyst auf der anderen Seite des Atlantiks, eine Art „Henry Blodget“ der Nanotechnik (das würde er auf wahrscheinlich nicht gerne hören, denn Blodget, jahrelang der Staranalyst der Dotcom-Ära, stürzte später wegen Insidergeschäften tief ab). Und, fügt Wolfe hinzu: „Es ist das erste Mal seit dem Zweiten Weltkrieg, dass die USA in einem neuen Technikgebiet nich mehr mit deutlichem Abstand führend sind.“ Tatsächlich sind die USA, Europa und Japan zur Zeit gleich auf.

Mehr Öffentlichkeitsarbeit?

Nur in einer Hinsicht sind die Amerikaner den Europäern schon wieder davon geeilt: bei PR und Vermarktung. Drüben hat die Nanotech-Euphorie bereits eigene Magazine, Newssites und eine Venture-Capital-Nervosität hervorgebracht, von denen bei uns weit und breit noch nichts zu spüren ist. Die Ruhe hier muss nicht schlecht sein, denn schon droht der nächste Hype. Andererseits wird in den USA über Nanotechnik geredet. Und hier? Kann es passieren, dass der Chef einer großen Unternehmensberatung noch nicht den Begriff „Nanotechnik“ kennt, wie mir einer der führenden Wissenschaftler aus der deutschen Nano-Gemeinde erzählte.

Das ist dann auch der einzige echte Kritikpunkt an der Nano-Initiative des BMBF: Was passiert mit der Öffentlichkeitsarbeit? Wann kommt die Leitinnovation „NanoMeetsPop“, sowie das Internet in den Neunzigern mit dem Lebensgefühl einer Generation (die jetzt natürlich mit Häme überschüttet wird, aber völlig überzogen) zusammen traf? Wenn schon von Innovationen gesprochen wird, sollte man die Nanotechnik schnellstens von ihrem Maschinenbau-Charme befreien.

Im Dezember hatte das Büro für Technikfolgenabschützung beim Deutschen Bundestag in seinem Report Nanotechnologie zu Recht festgestellt: „Erstrebenswert ist die Schaffung einer zentralen Informationsstelle für die breite Öffentlichkeit.“ Die Autoren empfahlen „einen leicht auffindbaren Internetauftritt“. Hoffen wir, dass das in diesem Jahr noch nachgeliefert wird.

Auf dem Weg zu Nanomaschinen?

Bushs Nano-Initiative enthielt noch eine weitere Botschaft, die in den USA zu einigen Aufschreien geführt hat: Die „molekulare Nanotechnologie“, die von Eric Drexler und dem Foresight Institute seit den Achtzigern als die wahre Nanotechnik propagiert wird, wird erst einmal nicht gefördert. Dabei handelt es sich um die als „Assembler“ bezeichneten Nanoroboter, die etwa in Michael Crichtons Thriller Beute zu einer Plage werden. Als Drahtzieher hinter dieser Richtungsentscheidung gilt Chemie-Nobelpreisträger Richard Smalley, ein entschiedener Gegner von Drexlers Vision. Die beiden hatten im vergangengen Jahr in einem offenen Briefwechsel heftig über die Machbarkeit der Assembler gestritten (s.a. Kap. 18 in Nano?!). Von Smalley wird berichtet, er sei schockiert gewesen, als ihm beim Besuch in einer Schulklasse die Hälfte der Schüler gesagt habe, sie fürchteten sich vor Assemblern.

So umstritten diese winzigen Roboter unter Wissenschaftlern sind: Dem Reiz von Nanomaschinen können sich auch die Skeptiker nicht wiedersetzen. In diversen Laboren wird an molekularen Motoren geforscht. Zwei wegweisende Ergebnisse melden Forscher in der morgigen Ausgabe von Science. Eine Gruppe um Fraser Stoddart von University of California Los Angeles (UCLA) hat eine Art „molekularen Aufzug“ gebaut. Das ist ein kompliziertes Molekül, das vereinfacht gesagt aus einem Boden und drei Säulen besteht. Um jeder der Säulen greift ein Ringmolekül. Die drei Ringmoleküle sind über eine kleine Plattform miteinander verbunden. Die drei Ringe befinden sich zunächst am oberen Ende der Säulen. Erhöht man den Säuregehalt der umgebenden Lösung, gleiten sie nach unten – und mit ihnen die Plattform, auf der andere Moleküle transportiert werden könnten. Der „molekulare Aufzug“ kann also vom „Erdgeschoss“ in den 0,7 Nanometer tiefer liegenden „Keller“ fahren (Science Vol. 303, 19.3.2004, S. 1845).

Die zweite Gruppe um Frederick Hawthorne, ebenfalls an der UCLA angesiedelt, hat ein Gelenk gebaut, dessen eine Hälfte sich dreht, wenn Lichtteilchen darauf fallen. Im Inneren des Gelenks befindet sich eine Art Kugel aus einem nickelhaltigen Riesenmolekül. Ein Lichtteilchen ändert dessen Elektronenstruktur so, dass sich der obere Teil des Gelenks wegdreht, bis seine Energie wieder minimal ist. Dieses Prinzip der Energieminimierung ist überall in der Natur am Werk. Die Drehung, die dabei ausgeführt wird, beträgt 144 Grad. Im Prinzip, schreiben die Forscher, könnte man viele solcher Drehgelenke übereinander bauen, so dass das oberste Ende mehrere volle Umdrehungen vollführen kann (Science Vol. 303, 19.3.2004, S. 1849).

Nanotube-Fasern und Virendrähte

Zum Schluss noch zwei andere interessante Forschungsergebnisse unter vielen. Materialwissenschaftler um Alex Windle von der Universität Cambridge haben es geschafft, aus so genannten Kohlenstoff-Nanotubes in einem einzigen Arbeitsschritt beliebig lange Fasern herzustellen. Nanotubes gelten seit einigen Jahren wegen ihrer hohen Elastizität und Reißfestigkeit sowie ihrer ungewöhnlichen elektrischen Eigenschaften als ein Superwerkstoff der Zukunft und sind unter anderem als Material für das Seil eines Aufzugs in den Weltraum im Gespräch (der in der Raumfahrtindustrie tatsächlich ernsthaft diskutiert wird).

Die Fasern zogen die Cambridger mit einer rotierenden Spindel direkt aus der heißen Reaktionskammer. Damit verkürzt sich die Herstellungszeit solcher Fasern deutlich. Denn bislang musste man zuerst größere Mengen von Kohlenstoffröhren produzieren und diese anschließend in einem eigenen Arbeitsgang bündeln. Damit hatte eine chinesische Gruppe im vergangenen Jahr immerhin eine Faserlänge von 20 Zentimetern erreicht. (s.a. Kap. 8 in Nano?!).

Windle und seine beiden Kollegen sprühten eine Mischung aus kohlenstoffhaltigem Ethanol – dem leichtesten Alkohol in der Chemie –, Ferrocen, Thiophen und Wasserstoffgas in einen bis zu 1200 Grad heißen länglichen Ofen. In dem bildet sich dann rasch ein Aerogel – eine Art sehr leichter Molekülschaum – aus frisch gebildeten Nanotubes. Normalerweise würden diese sich irgendwann am kühleren Ende der Kammer an den Wänden absetzen. Im Innern des Aerogels klumpen jedoch einige Röhrenmoleküle zu länglichen Bündel zusammen. Hält man nun eine rotierende Spindel in das Aerogel, lagern sich die Bündel an ihr ab und verbinden sich zu einem Faden, der sich um die Spindel wickelt. Für die maximale Länge des Fadens gebe es im Prinzip keine Grenze, schreiben die Forscher (Science online, 11.3.2004).

Ein anderes Problem, das vor allem die Chiphersteller brennend interessiert, sind so genannte Nanodrähte. Also metallische Drähte, die nur wenige Nanometer Durchmesser haben (zum Vergleich: im neuesten Pentium-Chip sind die Leiterbahnen gegenwärtig noch 90 Nanometer breit). Ein besonders originelles Verfahren, Nanodrähte herzustellen, hat die Chemikerin Angela Belcher vom MIT entwickelt. Sie lässt sie auf dem „Rücken“ von gentechnisch veränderten Viren (Bakteriophagen) wachsen (s.a. Kap. 13 in „Nano?!“). Im Januar konnte Belchers Gruppe berichten, dass sie inzwischen auch magnetische Drähte mit Virenhilfe produzieren können. (Science, Vol. 303, 9.1.2004, S. 213)

Und das ist nur ein kleiner Bruchteil der Früchte, die die Nanocommunity weltweit in den letzten Monaten geerntet hat. Mehr demnächst in diesem Blog.