Читать книгу Nano - Christian Meier - Страница 19

Wir haben gesehen, dass die Nanoskala eine Vielzahl von Effekten bietet, die sich aus der Kleinheit ergeben. Die Erforschung des Nanokosmos offenbart ein riesiges Potpourri an Phänomenen, von denen sich potenziell viele technisch nutzen lassen. Instrumente für die Analyse und die Manipulation der Welt des Kleinen sind die Grundlage für die Erforschung und Nutzung von Nano-Effekten. Ein wichtiges Instrument ist das Elektronenmikroskop, das Strukturen, die deutlich kleiner als ein Nanometer sind, abbilden kann. Allerdings liefert es lediglich Bilder des Nanokosmos, dient also nur der Analyse. Es gibt aber auch Methoden, mit denen man den Nanokosmos gestalten kann. Ein solches Nano-Werkzeug sind Mikroskope, die winzige Objekte mit einer äußerst feinen Spitze abtasten, so genannte Rastersondenmikroskope (Kasten 2). Diese sind nicht nur derart scharf, dass der Aufbau des Objekts Atom für Atom sichtbar wird, sondern sie können einzelne Atome auch gezielt von A nach B transportieren.

Damit besteht die atemberaubende Möglichkeit, extrem winzige Produkte Atom für Atom aufzubauen. Im Jahr 2012 haben IBM-Forscher auf diese Weise zwölf Atome zu einer Speicherzelle für ein Bit zusammengesetzt. Dieses Bit ist viel, viel kleiner als die Bits auf heutigen Festplatten, die Hunderttausende Atome belegen. Dies zeigt, wie weit sich Speichermedien im Prinzip noch verkleinern lassen.

In Forschung und Industrie gibt es noch viele weitere Methoden, um Dinge mit extrem winzigen Abmessungen herzustellen. So fertigt die Halbleiterindustrie mit einem »Fotolithographie« genannten Verfahren elektronische Bauelemente, die nur rund 20 Nanometer messen. Im Prinzip ist dieses Verfahren vergleichbar mit dem Herstellen von Druckplatten wie sie für das Drucken von Zeitungen verwendet werden, nur dass es eben sehr viel feinere Strukturen hervorbringt. Nur dank dieser Feinheit passen Milliarden von Transistoren auf einen briefmarkengroßen Computerchip, wodurch überhaupt erst die große Leistungsfähigkeit auf kleinsten Raum möglich wird, wie sie Smartphones oder Tablet-Computer demonstrieren. Im Labor können sogar schon Bauelemente mit nur 10 Nanometer gefertigt werden10, die Miniaturisierung der Elektronik wird also noch weitergehen.

Es gibt Verfahren, die es erlauben, wenige Nanometer dünne Kristallschichten auf eine Unterlage aufzubringen. Mit solchen Verfahren, eines davon ist die so genannte »Molekularstrahlepitaxie«, können Entwickler die Dicke und die Zusammensetzung der Schichten präzise steuern. Sie können auch Stapel mehrerer dünner Schichten aus unterschiedlichen Materialien erzeugen. Solche »Sandwich«-Strukturen erfüllen beispielsweise in Leuchtdioden oder in den Leseköpfen von Festplatten wichtige Funktionen.

Vergleichsweise einfache Herstellungsverfahren gibt es für CNTs: Sie entstehen von selbst, wenn zwischen zwei Stiften aus Kohlenstoff durch eine Hochspannung ein künstlicher Blitz erzeugt wird oder wenn man Graphit mit Laserlicht beschießt. Allerdings entstehen dabei Gemische von CNTs unterschiedlicher Eigenschaften und die eigentliche Schwierigkeit besteht darin, aus dem Mix jene CNTs herauszufiltern, die man für eine Anwendung braucht, etwa metallische oder halbleitende CNTs.

Schwierig ist auch der Einbau von CNTs in ein elektronisches Bauelement wie einen Transistor. Da muss das CNT in einer genau definierten Weise zwei Elektroden verbinden. Doch auch dafür gibt es Verfahren. Bei einem davon werden nicht fertige CNTs in den Transistor eingebaut, sondern sie »wachsen« direkt zwischen den Elektroden. Dies geschieht durch eine chemische Reaktion von Methangas an dem wachsenden CNT, wodurch der im Methangas enthaltene Kohlenstoff sich an das CNT anlagert. Diese Methode soll es ermöglichen, CNT-Transistoren einmal in Massen zu fertigen. Im Labor hergestellte Transistoren mit CNTs sind wesentlich kleiner als die Transistoren in heutigen Chips. Winzige 1–3 Nanometer klein sind etwa CNT-Transistoren, die an der Technischen Universität Darmstadt gefertigt wurden11. Das entspricht etwa dem Durchmesser des Erbgutmoleküls DNA, oder ist so viel, wie der Bart eines Mannes in ein paar Sekunden wächst.

Verschiedenste Herstellungsmethoden gibt es auch für Nanopartikel: Das Spektrum reicht vom Mahlen gröberer Pulver, den Beschuss eines Materials mit einem Laserstrahl, wodurch Nanopartikel aus dem Material herausgeschlagen werden, chemischen Reaktionen bis hin zu Techniken, bei denen elektrisch geladene Moleküle eines Gases zu Nanopartikeln kondensieren, wie Wassermoleküle zu Nebeltröpfchen.