Nanotechnologie

Gemäß dem heutigen Sprachgebrauch bezeichnet Nanotechnologie sowohl die Lehre von der Entwicklung der Nanotechnik unter Berücksichtigung der daraus re­sultierenden sozioökonomischen Veränderungen als auch im engeren Sinne die ent­sprechende technische Verfahrenskunde. Diese breitangelegte Bedeutung des Be­griffs impliziert bereits, daß davon auszugehen ist, daß die Nanotechnologie einen umfassenden Einfluß auf alle Lebensbereiche gewinnen wird (vgl.: R.W. Siegel, E. Hu and M.C. Roco (Eds.), Nanostructure Science and Technology - A Worldwide Study, WTEC Report, 1999 sowie M.C. Roco, R.S. Williams and P. Alivisatos (Eds.), Nanotechnology Research Directions, IWGN Workshop Report, 1999). Um diesen Aspekt zu beurteilen ist es zunächst einmal erforderlich, aus technischer Sicht die resultierenden Möglichkeiten zu bewerten.

Der Grundgedanke aller nanotechnologischen Ansätze besteht darin, Zugriffsmög­lichkeiten auf elementare Bausteine der Materie und ihre Selbstorganisation zu nut­zen. Damit ergibt sich eine Kontrolle des Aufbaus der Materie auf atomarer Skala. Diese Kontrolle kann dazu benutzt werden, makroskopische Eigenschaften durch Vorgaben auf atomarer Skala gezielt zu etablieren. Dabei lassen sich Baupläne und Ordnungsprinzipien der Natur sukzessive für neue Materialien, Bauelemente, Schaltkreise, Systeme und Architekturen nutzen. Die Abmessungen relevanter funk­tionaler Einheiten sind hierbei typisch etwa tausendfach kleiner als diejenigen von Mikrosystemenbauelementen. Eine inhärente Basis vieler nanotechnologischer Kon­zepte ist das hohe Maß an Interdisziplinarität, welches eine Vereinigung der Mög­lichkeiten physikalischer Gesetze, chemischer Stoffeigenschaften und biologischer Prinzipien zum Gegenstand hat (vgl.: G. Bachmann, Innovationsschub aus dem Nanokosmos, VDI-TZ, 1998).

Wie in Abb. 1 dargestellt, lassen sich prinzipiell funktionale Nanostrukturen durch sukzessives Herunterskalieren von Makro- und Mikrostrukturen, d.h. mittels eines „Top-Down-Ansatzes“ genauso erzeugen wie durch „Bottom-Up-Ansätze“, die ein­zelne Atome oder Moleküle als Bausteine verwenden. Top-Down-Ansätze entspre­chen der klassischen Verfahrensweise in der Festkörpertechnologie während Bot­tom-Up-Ansätze dem Vorgehen auf Basis der supramolekularen Chemie entsprechen. Es gibt heute sowohl hinsichtlich der physikalisch-technischen Vorge- hensweise als auch hinsichtlich der chemischen Vorgehensweise Beispiele für die Fabrikation funktionaler Einheiten mit kritischen Dimensionen im Nanometerbereich, also in einem Größenbereich, in dem sich auch eigenschaftsbestimmende Organisa­tionseinheiten biologischer Systeme, wie etwa Proteine, befinden.

Abb. 1: Moderne Methoden der Festkörpertechnologie und der supramolekularen Chemie erlauben es, gezielt Strukturen im Nanometerbereich herzustellen. Dieser Größenbereich ist relevant für eine ganze Reihe wichtiger biologischer Funktionseinheiten.

Die zehn Dekaden, die annähernd zwischen der Größe eines einzelnen Atoms und der Größe eines Menschen liegen, sind hinsichtlich ihrer Bedeutung für biologische Systeme einerseits und für moderne Festkörperfabrikationsmethoden andererseits in Abb. 2 dargestellt. Der Bereich, in dem sowohl in der belebten als auch unbelebten Natur charakteristische Funktions-Eigenschafts-Relationen ausgebildet werden, liegt zwischen einem Nanometer und hundert Nanometern. Dies ist, festgemacht an den entsprechenden kritischen Dimensionen einer funktionalen Einheit, der Bereich in dem die wesentlichen nanotechnologischen Prozeßschritte ablaufen. Gleichzeitig ist dies auch der Bereich, der eine Reihe von bedeutsamen biologischen Funktionsein­heiten, wie etwa Proteine oder Viren, umfaßt. Gerade die Möglichkeit mit entspre­chenden Verfahren und Werkzeugen auf Nanometermaßstab Materie gezielt zu ma­nipulieren und damit in einen Größenbereich vorzustoßen, in dem sich auch wichtige biologische Funktionseinheiten befinden, eröffnet völlig neuartige technologische Möglichkeiten und ist im besonderen auch die Basis für die Nanobiotechnologie.

Abb. 2: Zwischen der Größe eines Atoms und derjenigen eines Menschen liegen etwa zehn Dekaden auf der Längenskala. In den vergangenen Jahren haben erhebliche Fortschritte bei den festkörpertechnologischen Fertigungsmethoden dazu geführt, daß der Nanobereich, der Bereich zwischen einem und hundert Nanometern, technologisch zugänglich gemacht wurde.

Voraussetzung für die Entwicklung nanotechnologischer und im besonderen auch nanobiotechnologischer Ansätze ist also die Verfügbarkeit geeigneter Nanowerk­zeuge, wie etwa der Rastersondenverfahren. Abbildung 3 zeigt am Beispiel einer Fabrikationsmethode, wie sie in der modernen Halbleiterelektronik verwendet wird, ein Beispiel für Strukturen, die auf der Basis eines rein anorganischen Materialsy­stems hergestellt wurden und in ihren kritischen Dimensionen in der Größenordnung funktionaler biologischer Strukturen liegen. Es ist evident, daß sich durch Kombina­tion entsprechender biologischer Funktionseinheiten und technisch präparierter Bau­elemente gänzlich neue Anwendungen erschließen lassen. Daß es allerdings auch möglich ist, biologische Bausteine direkt auf Nanometermaßstab mit entsprechenden Nanowerkzeugen zu manipulieren, zeigt Abb. 4. Auf diese Weise lassen sich biolo­gischen Bausteinen, unter Umständen in Kombination mit anorganischen Komponenten, Eigenschaften verleihen, die ihnen von Natur aus, d. h. in ihrer nati­ven Anwendung, nicht zugedacht sind.

Abb. 3: Lithographisch hergestellte Struktur aus Gold auf Silicium im Größenvergleich zum Facettenauge einer Fliege.

Abb. 4: Nanobiotechnologische Verfahren erlauben es, biologische Strukturen und Materialien in eine Konfiguration zu bringen, die ihnen von der Natur nicht zugedacht wurde und die gleichzeitig technisch bedeutsame Eigenschaften impliziert. Links ist sichtbar die rasterkraftmikroskopische Abbildung eines ungeordneten DNA-Knäuls, während das rechte Bild ein relativ regelmäßiges Muster aus einzelnen gestreckten DNA-Strängen zeigt.

Das Aufeinanderzubewegen von Festkörpertechnologie und supramolekularer Che­mie in bezug auf charakteristische Größenordnungen, wie in Abb. 1 dargestellt, wird ergänzt durch beachtliche Fortschritte bei der theoretischen Beschreibung auch komplexer Systeme. Das „Scientific Computing“ erlaubt es heute, auch Systeme auf Nanometerskala, d. h. durchaus Systeme mit Millionen von Atomen, unter realisti­schen Rahmenbedingungen zu modellieren. Im besonderen ist dies auf der moleku­lardynamischen Eigenschaftsebene möglich. Neue transdisziplinäre Bereiche, wie die Bioinformatik oder auch die Cheminformatik, spezialisieren sich auf diesen Aspekt. Dabei ist immer primärer Gegenstand der Bemühungen der Versuch, auch komplexe Eigenschaften funktionaler Einheiten auf Nanometerskala numerisch zu erfassen.

Die Nanotechnologie hat also, wie in Abb. 5 dargestellt, ihre Wurzeln einerseits in den klassischen Natur- und Ingenieurwissenschaften und andererseits in den Le­benswissenschaften. Aufgrund der Notwendigkeit, Nanosysteme letztendlich an die technologische Welt anzukoppeln sowie auch aufgrund der zugrunde liegenden Top-down-Ansätze ist zusätzlich die Mikrosystemtechnik, die ja ihrerseits bereits ein mul­tidisziplinärer Forschungs- und Entwicklungsbereich ist, eine Basis für die Nanotech­nologie (vgl.: G. Timp (Ed.), Nanotechnology, Springer, New York, 1999).

Abb. 5: Disziplinäre Wurzeln der Nanostrukturforschung und Nanotechnologie.