Echt interessant...ist glaub aus der NZZ(Neue Züricher Zeitung)
Nano, die unsichtbare Technologie
02:47
Eine neue Idee hatten Ende der 70er Jahre zwei Wissenschafter des IBM Forschungslabors in Rüschlikon bei Zürich. Ohne es zu ahnen, schufen die beiden die Voraussetzung für die Entwicklung einer neuen Technologie, der Nanotechnologie.
03:02
Archiv: Statement Gerd Binnig / 1985
03:18
Einen Blick in die Welt der Atome – der Grundbausteine aller Materie – werfen zu können, war unmöglich mit den konventionellen Methoden der optischen und der Elektronenmikroskopie. Gerd Binnig und Heinrich Rohrer entschieden sich für einen mechanischen Ansatz: Eine winzige feine Spitze wollten sie einer Probe so nahe bringen, dass sich Informationen über deren Beschaffenheit gewinnen liessen. Die ersten solchen sogenannten Rastertunnelmikroskope wurden von IBM in Zürich selbst gebaut.
03:43
Statement Gerd Binnig / Nobelpreisträger Physik
04:48
Werden Spitze und Probe nahe genug zueinander hin bewegt, so entsteht zwischen den beiden ein Stromfluss, der sogenannte Tunnelstrom.
04:55
Statement Gerd Binnig / Nobelpreisträger Physik
05:17
Jede Spitze in der Natur endet in einem einzigen Atom. Nähert man diese im Ultra-Hochvakuum einer elektrisch leitenden Oberfläche, so entsteht zwischen den beiden ein Stromfluss, der sogenannte Tunnelstrom. Dieser lässt sich messen, und die so gewonnenen Daten kann der Computer in Bilder umsetzen. So entstanden Anfang der 80er Jahre erstmals solche Aufnahmen aus der Welt der Atome, plötzlich liessen sich Oberflächen auch in ihrer atomaren Struktur studieren. Die Bilder von stupender Schönheit sorgten für grosses Aufsehen und warfen viele der bisherigen Vorstellungen, die man sich von der Nanowelt gemacht hatte, über den Haufen.
05:52
Statement Jim Gimzewski / IBM Research:
"Das Rastertunnelmikroskop ist das erste Instrument, mit dem wir einzelne Atome direkt beobachten, berühren und später auch manipulieren konnten. Erst damit hat sich uns die ganze Nanowelt erschlossen."
06:12
Jim Gimzewski gilt als einer der führenden Experten im Manipulieren einzelner Moleküle. Hierzu bedient er sich ebenfalls des Rastertunnelmikroskops. Fährt man seine Spitze nahe genug an eine Probe, so bleiben einzelne Atome an ihr hängen und lassen sich an einer anderen Stelle wieder absetzen. Die Animation zeigt einen berühmten Versuch, bei dem es den Forschern gelang, das Logo ihres Arbeitgebers mit einzelnen Xenon-Atomen zu schreiben.
06:41
In mühevoller Kleinarbeit bereitet Reto Schlittler, Jim Gimzewskis engster Mitarbeiter, einen Laborversuch vor. Spitze und Probe des Rastertunnelmikroskops befinden sich im Ultra-Hochvakuum. Die grobe Annäherung von Spitze und Probe nimmt er von Hand vor. Die Feinannäherung bis auf einen einzigen Nanometer – den Millionstel Teil eines Millimeters – überlasst er dem Computer. Das Mikroskop ist absolut erschütterungsfrei gelagert. Denn jede noch so kleine Schwingung – ein lautes Räuspern etwa – würde sonst dazu führen, dass die Probe sich in die Spitze bohrt und somit auch kein Bild entstehen könnte.
07:24
Statement Jim Gimzewski / IBM Research:
"Die menschliche Hand lässt sich drehen und wenden, kann Dinge aufnehmen – sie ist ein ziemlich raffiniertes Instrument. Unsere Mikroskopspitze gleicht eher einer Faust – sie besteht an ihrem Ende nur aus einem einzigen Atom. Mit ihr können wir Atome und Moleküle lediglich stossen, ziehen oder mit einem Stromfluss beeinflussen."
07:49
Die Mikroskopspitze – symbolisiert durch den kleinen Kreis – wird computerkontrolliert an das zu verschiebende Molekül gefahren und dann dorthin bewegt, wohin man es verschieben will. Eine zweite Aufnahme zeigt nun, dass sich das Molekül auch tatsächlich verschieben liess.
08:08
Statement Reto Schlittler / IBM Research
08:20
Während solche Experimente früher nur bei sehr tiefer Temperatur gelangen, führt Gimzewski sie heute auch bei Raumtemperatur durch. Weil Atome bei höheren Temperaturen viel stärker schwingen, bedient er sich grosser künstlicher Moleküle.
08:33
Statement Jim Gimzewski / IBM Research:
"Das ist eines der ersten Moleküle, die wir bei Raumtemperatur manipulieren konnten. Sie können es auf zwei Arten betrachten: Das rote Atom in der Mitte ist Kupfer, die blauen Atome sind Stickstoff, die schwarzen Kohlenstoff und die weissen Wasserstoff: 137 Atome bilden dieses Molekül. Wenn wir so viele Atome einzeln verschieben wollten, würde uns das viel Zeit und Mühe kosten – stattdessen verschieben wir einfach das ganze Molekül."
09:05
Das Designermolekül besitzt zudem vier Beine und lässt sich deshalb besonders gut auf einer Oberfläche verschieben Mit diesem molekularen Baustein hingegen lassen sich gezielt einzelne Atome einfangen, während sich dieser als propellerähnliches Antriebsrad einsetzen lässt.
9:19
Statement Jim Gimzewski / IBM Research:
"Unser Ansatz ist der, von unten nach oben aufzubauen. Das heisst, am Anfang haben wir nur ein einzelnes Atom, dann zwei, dann drei – bis wir immer komplexere Strukturen erhalten. Zuerst können diese noch fast keine Aufgaben ausführen. Der andere Ansatz ist derjenige, von oben hinunter: bereits bestehende, funktionierende Strukturen wie etwa einen Pentium-Prozessor verkleinern und verkleinern. Je mehr sie ihn allerdings verkleinern, desto mehr Probleme tauchen auf. In unserer Nanowelt hingegen funktioniert noch nichts richtig, also müssen wir von unten her die Komplexität erst aufbauen."
10:01
Das Rasterkraftmikroskop ist eine Weiterentwicklung des Rastertunnelmikroskops. Mit ihm lassen sich auch nichtleitende Materialien untersuchen – auch benötigt das Rasterkraftmikroskop kein Vakuum. Bereits für einige Zehntausend Franken kann man heute kommerziell hergestellte Rasterkraftmikroskope – basierend auf dem IBM-Patent – kaufen. Die nanometergenaue Inspektion von Oberflächen ist damit schon zur Routine geworden, und Rasterkraftmikroskope werden zum Beispiel in der Chipherstellung bereits zur Qualitätskontrolle eingesetzt.
10:38
Statement Gerd Binnig / Nobelpreisträger Physik:
11:03
Das Rasterkraftmikroskop machte erstmals auch die atomare Struktur biologischer Proben sichtbar. Im Gegensatz zum Rastertunnelmikroskop misst das Rasterkraftmikroskop nicht den Tunnelstrom, sondern die Kraft, mit der eine hauchdünne bewegliche Zunge von einer Oberfläche angezogen oder abgestossen wird. Damit lassen sich mechanische Reibungskräfte, magnetische oder auch elektrostatische Eigenschaften messen. Prozesse wie mechanische Reibung, Verschleiss, Schmierung oder Korrosion kann man mit dem Rasterkraftmikroskop besser untersuchen und verstehen lernen. Der Oberflächenbehandlung und Beschichtungstechnik eröffnen sich damit völlig neue Perspektiven. Doch der Einsatz der extrem kleinen und empfindlichen Rasterkraftsonden ist damit noch längst nicht erschöpft.
11:51
Die Computerindustrie sucht unentwegt nach neuen Methoden der Informationsspeicherung – immer mehr Informationen sollen auf immer kleinerem Raum gespeichert werden können. Ein möglicher Weg dazu:
12:01
1024 Rasterkraftsonden – untergebracht auf einem Chipfeld von nur 3 Millimetern Kantenlänge.
12:08
Statement Peter Vettiger / IBM Nanomechanics:
12:34
Im Nanobereich existiert kein mechanischer Verschleiss, gibt es keine Reibungsverluste. Mit Hilfe der Rasterkraftsonden, also mechanischer Komponenten im Nanobereich, werden Vertiefungen in eine hauchdünne Kunststoffoberfläche gedrückt. Jede dieser Vertiefungen repräsentiert gespeicherte Bits, die mit derselben Spitze wieder gelesen werden können. Im Laborversuch funktioniert diese Technik bereits – und die Wissenschafter halten mit ihr Speicherdichten weit über die heute voraussehbare Grenze von magnetischen Speichern hinaus für möglich. Bis zu 10 Gigabytes sollen sich so auf einem einzigen Quadratzentimeter abspeichern lassen. Möglich wird diese hohe Speicherdichte bei zufriedenstellender Schreib- und Lesegeschwindigkeit, weil die 1024 Rasterkraftsonden parallel arbeiten – alle zusammen lesen und schreiben sie gleichzeitig horizontal in der x- und y-Richtung. So könnte es sein, dass die Rasterkraftsondentechnik die Informationsspeichertechnik der Zukunft wird.
13:38
Statement Peter Vettiger / IBM Nanomechanics
14:04
In gewisser Weise war Chemie schon immer auch Nanotechnologie. Wer zwei Reagenzien zusammenschüttet, löst Veränderungen auf deren molekularer Ebene aus. Doch mit dem sogenannten "molecular engineering", "dem molekularen Design", versucht die moderne Chemie heute, einen Schritt weiterzugehen.
14:19
Statement Alexander von Zelewsky
15:03
Die analytische Chemie und das grundlegende Verständnis chemischer Prozesse haben heute einen so hohen Standard erreicht, dass es möglich ist, sehr komplexe Moleküle nicht nur am Computer zu designen, sondern sie auch im Labor herzustellen. Solche Moleküle könnten in Zukunft zum Beispiel wie kleine Chemiefabriken arbeiten oder sich im Verband selbstständig fortbewegen und sich beispielsweise an Krebszellen andocken, um dort gezielt ein Medikament freizusetzen. Biologen wissen, dass dies keine wilden Träume sind: Alle wichtigen Lebensprozesse spielen sich nämlich im Nanobereich ab. Proteine zum Beispiel sind Nanomaschinen, die neue Stoffe mit atomarer Präzision zusammensetzen.
Olimpia Mamula, Doktorandin am chemischen Institut der Universität Fribourg, gelang kürzlich die Herstellung eines besonders komplexen und grossen künstlichen Moleküls.
15:56
Statement Olimpia Mamula:
"Wie jeder Forscher hoffe ich natürlich, dass dieses Molekül eines Tages einmal eine praktische Anwendung finden wird. Man kann sich beispielsweise vorstellen, dass es eine Art Filterfunktion wahrnehmen, links- und rechtsdrehende Moleküle voneinander unterscheiden und trennen könnte. Auch lässt sich daran das Phänomen des Selbstaufbaus, der Selbstorganisation studieren."
16:22
Phänomene aus der Natur wie den Selbstaufbau möchten sich die Chemiker gerne zunutze machen, denn im allgemeinen gilt: je grösser ein Molekül, desto schwieriger seine Synthese.
16:36
Statement Alexander von Zelewsky
17:14
An der Universität Strassbourg lehrt der Chemienobelpreisträger Jean-Marie Lehn – für viele Fachleute der bedeutendste lebende Chemiker. Lehn und seine Leute, auch "Lehns Gang" genannt, verstehen die Chemie als Wissenschaft des Wandels, als Bindeglied zwischen dem Einfachen und dem Komplexen. Chemie als Wissenschaft der Interaktion und der Transformation. Chemie als Sprache.
17:36
Jean-Marie Lehn / Nobelpreisträger Chemie
18:26
Die Chemiker beherrschen das molekulare Design, also die Herstellung neuer Moleküle heute, weil sie die Verbindungen zwischen einzelnen Atomen gezielt zerstören oder aufbauen können. Die moderne Chemie weiss gut Bescheid um die Bindungskräfte zwischen den Atomen. Die supramolekulare Chemie – wie sie Lehn betreibt – geht einen Schritt weiter. Sie versucht zu verstehen, wie sich Moleküle untereinander organisieren, wie sie miteinander kommunizieren und wie sie sich selbst organisieren, sich zum Beispiel spontan zu grösseren Einheiten zusammenfügen. Wer diese Soziologie der Moleküle, diese Sprache der Moleküle verstehen lernt, kommt den Geheimnissen der Materie – und damit auch des Lebens – einen grossen Schritt näher: Wie erkennt unser Immunsystem Krankheitserreger, wie genau transkribiert unser Erbgut seine Informationen, wie gelangt ein Virus in eine Zelle?
19:16
Statement Jean-Marie Lehn / Nobelpreisträger Chemie
20:04
Entscheidend für die grossen Fortschritte, die die Chemie machen konnte, sind nicht zuletzt die modernen Analysemethoden. Die Röntgenspektroskopie beispielsweise erlaubt es, die räumliche Struktur von Molekülen sichtbar zu machen. Das zu untersuchende Molekül wird in kristalliner Form dem Beschuss von Röntgenstrahlen ausgesetzt. Um eine räumliche Darstellung der molekularen Struktur zu gewinnen, wird die Probe in allen möglichen Richtung gedreht. Die Auswertung der Brechung der Röntgenstrahlen erlaubt es, anschliessend ein dreidimensionales Bild der Substanz zu gewinnen. Ohne solche Analysemethoden könnten die Chemiker nicht überprüfen, ob die von ihnen hergestellten Substanzen nicht nur in ihrer chemischen Zusammensetzung, sondern auch in ihrer räumlichen Anordnung mit derjenigen Substanz identisch sind, die sie ursprünglich produzieren wollten.
20:51
Statement Reinhard Neier / Universität Neuchâtel
21:10
Ein besonders grosses Interesse hat die Industrie beispielsweise an Flachbildschirmen mit besseren Eigenschaften, als sie derzeit auf dem Markt erhältlich sind. Intensiv erforscht an der Universität Neuchâtel eine Gruppe um Professor Robert Deschenaux deshalb das Verhalten von Flüssigkristallen. Flüssigkristalle wie dieser hier ändern ihren atomaren Organisationsgrad je nach Temperatur, gehen von einem hohen Grad an atomarer Organisation schlagartig in einen tieferen Organisationsgrad über und umgekehrt. Mechanismen, die man sich bei der Konstruktion von Flachbildschirmen zunutze machen kann.
21:58
Einen anderen Weg geht man an der Universität Fribourg. Am dortigen physikalischen Institut arbeitet man ebenfalls an der Grundlagenforschung für die Konstruktion eines Flachbildschirms. Allerdings versucht man es hier mit der Hilfe sogenannter Nanotubes, die hier unter dem Rastertunnelmikroskop auf ihre elektrischen und magnetischen Eigenschaften hin getestet werden. Nanotubes wurden erstmals 1993 hergestellt und sind nanometerkleine Röhrchen aus reinem Kohlenstoff – mit bis anhin für unmöglich gehaltenen physikalischen Eigenschaften.
22:35
Statement Louis Schlapbach / Universität Fribourg:
23:19
Die sogenannten "Buckminsterfullerene" – fussballförmige Moleküle aus 60 Kohlenstoffatomen - bilden sich spontan bei bestimmten Druck- und Temperaturverhältnissen. 1993 gelang es, Röhrchen aus diesem Kohlenstoffgeflecht herzustellen, deren Wanddicke nur noch aus einem einzigen Atom besteht. Einwandige Kohlenstoff-Nanotubes bestechen Wissenschafter und Werkstofforscher durch ihre Präzision, denn jedes der Kohlenstoffatome sitzt genau an seinem Platz. Entdeckt wurden die ersten dieser Kohlenstoff-Nanostrukturen Ende der 80er Jahre an der texanischen Rice University.
23:59
Statement Dan Colbert
"Wir wissen bereits heute, dass Kohlenstoff-Nanotubes die stärksten Fasern sind, die wir je entdeckt haben. Und wir vermuten stark, dass es auch die stärksten Fasern sind, die wir je werden herstellen können – denn kein anderes Element des Periodensystems verbindet sich mit der gleichen Kraft, wie das Kohlenstoffatome untereinander tun. Und schliesslich stehen uns in diesem Universum nur die Elemente des Periodensystems zur Verfügung."
24:33
Noch ist die Herstellung einwandiger Kohlenstoffnanotubes ausserordentlich aufwendig und entsprechend teuer. 1400 Dollar kostet ein Gramm.
24:47
Statement Dan Colbert:
"Das ist unser Laser-Vergasungsapparat zur Herstellung einwandiger Nanotubes. Die Laserstrahlen kommen über diese Ablenkspiegel in diese Quarzglasröhre und in den Ofen, in dem eine Temperatur von über 1100 Grad Celsius herrscht. Ziel der Röntgenstrahlen ist ein Kohlenstoffmetallgemisch im Ofen. Durch Kondensation aus der Gasphase des Kohlenstoffs gewinnen wir dann dieses Rohmaterial, das grösstenteils aus Nanotubes besteht und ganz leicht ist. Wenn sie ein Bündel von Nanotubes zum Durchmesser eines menschlichen Haares zusammenfassen wollten, so bräuchten sie 10 Milliarden Nanotubes."
25:41
Die Natur will es, dass sich ein einzelner DNA-Strang in seinen Abmessungen genau um den Durchmesser eines einzelnen Nanotubes wickeln lässt. Unter den Nanowissenschaftern werden bereits Überlegungen angestellt, wie sich solche künstlichen Moleküle mit biologischen Materialien kombinieren liessen.
25:56
Statement Dan Colbert:
"Ich glaube, es ist sehr wahrscheinlich, dass wir in der Zukunft Kombinationen biologischer Materialien mit künstlichen Nano-Strukturen sehen werden, wie zum Beispiel mit Nanotubes."
26:15
Einige Hundert Kilometer von Houston entfernt, in Dallas, befindet sich die erste kommerzielle Firma, die sich ausschliesslich der Nanotechnologie widmet. Dort, bei der Zyvex Corporation, träumen zwei Männer, beide sehr erfolgreiche und anerkannte Computerspezialisten, den Traum von einem goldenen Zeitalter.
26:33
Statement Jim von Ehr:
"Das Produkt, das wir herstellen wollen, ist der Assembler, eine Art universeller automatischer Baukasten. Er wird ungefähr die Grösse eines Tisches haben und mit einem Computer verbunden sein. Sie füttern diese Anlage mit chemischen Ausgangsprodukten und einem Computerprogramm, das ihr sagt, was er daraus herstellen soll. Der Assembler zerlegt dann die Ausgangsprodukt in seine atomaren Bestandteile und baut aus ihnen das gewünschte Produkt."
27:04
Kein bescheidenes Ziel: Die Maschine von Zyvex soll also alles herstellen können, sofern es nicht den fundamentalen Gesetzen der Physik und Chemie widerspricht. Die Herstellung eines Steaks aus Gras und Licht etwa, schliesslich kann das die Kuh ja auch.
27:19
Statement Ralph Merkle:
"Nanotechnologie ist eine Produktionstechnologie, die es uns im wesentlichen erlaubt, alles herzustellen, und zwar: billiger, präziser, widerstandsfähiger und in grösserer Reinheit."
27:36
Nur die Spitze eines Rastertunnelmikroskop ist heute fein und präzise genug, um einzelne Atome auch physisch berühren zu können. Von den nanomechanischen Greifarmen, die der Assembler bräuchte, um Moleküle in ihre atomaren Bestandteile zu zerlegen und die so gewonnenen Atome später wieder neu zusammenzusetzen, ist man noch weit entfernt. Die kleinsten real existierenden Greifarme sind noch viele tausendmal zu gross.
28:02
Statement Ralph Merkle:
"Die Idee, einzelne Moleküle zu berühren, zu bewegen und neu zu positionieren ist relativ neu – trotzdem ist es ein sehr einleuchtendes Konzept. Stellen Sie sich vor, sie müssten einen Radio bauen, indem sie seine Einzelbestandteile in eine Tüte stecken und diese schütteln, um ihr dann den fertigen Radio zu entnehmen. Dies scheint ein sehr schwieriger Weg zu sein, um ein Radio zu bauen, und doch funktioniert Chemie heute weitgehend so. Sie mischen Reagenzien, und diese organisieren sich selbst zu einer neuen Substanz. Jetzt stellen sie sich aber mal vor, was sie alles tun könnten, wenn sie winzig kleine Nanohände hätten, die Moleküle Atom für Atom neu bauen und anordnen könnten."
28:57
Einzelne Atome liessen sich so anordnen, dass daraus kleine – unsichtbare – Maschinen würden. Millionen Nanoroboter könnten durch unsere Blutbahnen und Zellen schwirren, um zum Beispiel kaputte Zellen zu flicken. Ein goldenes Zeitalter stünde uns bevor...
29:11
Statement Jim von Ehr:
"Schauen Sie die Umweltverschmutzung an. All das Kohlendioxid in der Luft. Vielleicht wird man später einmal sagen, was für ein herrliche Sache, dass wir im 20. Jahrhundert all dies Kohlendioxid produziert haben. So hat jedes Land auf der Erde Zugang zu Rohstoffen. Sie isolieren ihren Kohlenstoff einfach aus dem Kohlendioxid in der Luft, bauen ihn in Nanomaschinen ein, und der Sauerstoff wird als Abfallprodukt wieder in die Luft gelassen – ganz genau so, wie das ein Baum eben macht."
29:50
Wer die beiden einfach nur als Phantasten abtut, macht es sich wohl zu einfach: Visionäre aber mit einem ungebrochenen Zukunftsglauben sind sie sicher.
30:05
Statement Ralph Merkle:
"Hauptkonsequenz des Fortschritts in der Bio- und Nanotechnologie wird sein, dass der Mensch ein gesünderes und längeres Leben wird führen können."
