Nanostrukturen

Im Alltag begegnen wir häufig Nanostrukturen, direkt erkennen lassen sie sich allerdings nicht. Denn das menschliche Auge kann gerade noch Objekte mit Ausmaßen von etwa einem zehntel Millimeter auflösen. Nanostrukturen sind tausend- bis hunderttausendfach kleiner und liegen damit im Bereich von Nanometern. Dieser Maßeinheit – ein Nanometer entspricht einem milliardstel Meter – verdanken die winzigen Strukturen auch ihren Namen. Die Vorsilbe „Nano“ stammt aus dem Griechischen: Das Wort νάνος (nános) bedeutet Zwerg.

So zwergenhaft Nanostrukturen daherkommen, so faszinierend sind ihre Eigenschaften. Sie verleihen beispielsweise Knochen eine hohe Stabilität bei gleichzeitig geringem Gewicht. Sie lassen Flügel von Insekten und einigen Vögeln in bunten Farben schillern – ganz ohne Pigmente. Die winzigen Strukturen ermöglichen zudem zahlreiche technische Entwicklungen: In Computerchips steuern Milliarden in Nanostrukturen angeordnete Transistoren den Fluss von Elektronen und verarbeiten digitale Daten. Nanostrukturierte Oberflächen lassen Flüssigkeiten einfach abperlen oder steigern die Effizienz von Katalysatoren für chemische Reaktionen.

Einblicke in die Nanowelt

Die Anfänge der Nanotechnologie gehen auf die Mitte des 20. Jahrhunderts zurück. Als ein wichtiger Vordenker gilt der amerikanische Nobelpreisträger Richard Feynman. 1959 hielt er seinen berühmten Vortrag „There’s Plenty of Room at the Bottom“, der ein schier unerschöpfliches Potenzial in der Kontrolle der Materie auf atomarer und molekularer Ebene vorhersagte. 15 Jahre später prägte der japanische Maschinenbauingenieur Norio Taniguchi schließlich den Begriff „Nanotechnologie“ mit dem Fokus auf nanopräzise Verfahren für die Fertigung von Halbleiterbauteilen.

Der Weg zu den Nanostrukturen ist eng mit Einblicken in die Nanowelt verknüpft. Normalen Lichtmikroskopen bleibt dieser Zugang verschlossen. Denn die Wellenlängen des sichtbaren Lichts sind mit 380 bis 780 Nanometern schlicht zu groß, um Nanostrukturen abzubilden. Erst mit der Erfindung neuer Instrumente – vom Elektronenmikroskop über Rastersondenmethoden bis zu speziellen spektroskopischen Verfahren – weitete sich der Blick auf Atome, Moleküle und daraus bestehende Nanostrukturen. Heute lassen sich mit diesen Hilfsmitteln elektrische, magnetische und optische Eigenschaften im Nanobereich sichtbar machen.

Computerchip unter dem Elektronenmikroskop

Mit immer schärferen Blicken auf Nanostrukturen wächst auch das Verständnis darüber stetig. Ihre Eigenschaften unterscheiden sich drastisch von unstrukturierten Festkörpern, obwohl sie aus dem identischen Material bestehen. Ein Grund liegt darin, dass sich bei den winzigen Strukturen ein größerer Anteil von Atomen beziehungsweise Molekülen direkt an oder nahe der Oberfläche befindet. Selbst wenn sich die Form oder Anordnung der Strukturen nur geringfügig ändert, können sich die physikalischen Eigenschaften dadurch merklich verändern: Lichtwellen werden anders absorbiert und reflektiert, der Einfluss von Quanteneffekten nimmt zu. So kann ein nanostrukturiertes Material plötzlich elektrisch besser leiten oder magnetische Eigenschaften zeigen, die es im Großen nicht besitzt.

Fertigung von Nanostrukturen

Inzwischen gibt es einen ganzen Strauß an Methoden, um Nanostrukturen gezielt herzustellen. Grundsätzlich werden dabei zwei Wege verfolgt: Top-Down-Prozesse zerteilen gezielt größere Materialstücke und formen daraus filigrane Nanostrukturen. Im Gegensatz dazu setzen Bottom-Up-Verfahren einzelne Atome und Moleküle zu Nanostrukturen zusammen.

Mit beiden Ansätzen lassen sich Nanostrukturen für ihren jeweiligen Zweck maßschneidern und mit den gewünschten Eigenschaften ausstatten. Das Spektrum reicht von immer leistungsfähigeren Computerchips über mikroskopisch kleine und dennoch hochempfindliche Sensoren bis hin zu neuartigen Werkstoffen, die extrem leicht und zugleich sehr stabil sind.