Ballspiel mit Atomen
Mit ultrafeinen Lichtstrahlen arbeiten

Millimeterkleine Helikopter sausen durch die Luft, und Minigabelstapler mit molekülkleinen Motoren und Getrieben heben Zuckerwürfel vom Labortisch in der Liliputwelt. Ob nun mikrooptische Spiegel, so winzig wie rote Blutkörperchen, die Lichtwellen in der Glasfaser-Datenautobahn lenken, oder ganze Laboratorien in Kreditkartengröße - der Trend zur weiteren Miniaturisierung der Nanowelten hält unvermindert an.

HB HANNOVER. Bald gelingt es Forschern im Legoland der Atome sogar, einzelne Moleküle zu manipulieren und zu Nano-Maschinen, so winzig wie ein Stecknadelkopf, zusammenzusetzen. Letztlich werden Mikroroboter wohl mit Atomen Fußball oder gar Murmeln spielen können.

Doch die Nano-Strukturen, zehntausendmal kleiner als das filigrane Zahnradgetriebe einer Armbanduhr, erfordern in Zukunft völlig neue Werkzeuge. Selbst feinste Pinzetten wären noch immer viel zu grob, um die Liliputwelt handhaben zu können. Sicher gelingt dies nur durch feinst gebündelte Lichtstrahlen - Laserlicht ist hierfür prädestiniert. So können Laserstrahlen heute schon berührungslos und kräftefrei mikro- und nanotechnische Oberflächen strukturieren, indem sie selbst härteste Materialien punktgenau verdampfen oder in der Halbleiterindustrie als hochgepulste Eximer-Gaslaser präzise feinste Chipstrukturen belichten.

Licht kann zwar dabei keine Berge versetzen, aber für Mikroben reicht es allemal. Nach diesem Prinzip haben Forscher der St. Andrews Universität in Schottland jetzt winzige Pinzetten aus Laserlicht entwickelt: Durch Lichtteilchen, die auf ihre Oberfläche prallen, erhalten kleinste Objekte, beispielsweise Bakterien, einen Impuls.

Damit die Gebilde äußerst genau gedreht und ausgerichtet werden, erzeugt das schottische Team mit zwei sich überlagernden Laserstrahlen ein spiralförmiges Lichtmuster, in dem das Objekt eingeschlossen und dann in Bewegung versetzt wird. Die Objekte werden von gebündelten Laserstrahlen wie mit einer Zange eingefangen und nach Belieben bewegt, indem die Forscher die Ausrichtung eines der Laser verändern.

Die bisher benutzten Methoden, um solche Partikel zu bewegen, erhitzten diese oder waren auf Materialien mit bestimmten optischen Eigenschaften beschränkt. Aber mit dem neuen Nano-Skalpell haben die Schotten bereits lebende Chromosomen chinesischer Hamster von einem Tausendstel Nanogramm beschädigungsfrei manipulieren können. Damit ließen sich auch einzelne Gene in Zellen einführen. Die Laserpinzetten könnten ebenso zur Entwicklung neuer Medikamente dienen, wenn man mit ihnen beispielsweise Enzyme und Proteine so lange drehen würde, bis sie ineinander greifen.

Nach dem gleichen Prinzip könnten Zahnräder in Mikromaschinen in Drehung versetzt werden, um Mikromotoren, -mixer oder-zentrifugen anzutreiben. "Wir haben gerade erst begonnen zu begreifen, welche Möglichkeiten uns die neue Technik künftig einräumt", schwärmt Kishan Dholakia, Wissenschaftler von der St. Andrews Universität. Dort rechnet man damit, dass bis zur praktischen Nutzung weniger als zwei Jahre vergehen. "Man wird mit diesem Verfahren schon bald sogar Experimente an einzelnen Molekülen vornehmen können", erwartet Chris Meiners, Professor an der Universität von Michigan.

Einen ganz anderen Weg, Atome zu bewegen, gehen Forscher an der Technischen Universität Berlin sowie an der RWTH Aachen. Die Wissenschaftler um Dieter Bimberg und Thomas Dekorsy entwickelten unabhängig voneinander Verfahren, mit denen Atome auf einer Halbleiterschicht zu regelmäßig angeordneten Strukturen aus wenigen Molekülen - so genannten Quantenpunkten - arrangiert werden können.

Quantenpunkt für Quantenpunkt entstand eine wenige Nanometer große Pyramide aus Halbleiteratomen, von denen 100 Milliarden auf eine Fläche von einem cm2 passen würden. Statt des gesamten Spektrums von Farben absorbieren und emittieren die Nano-Pyramiden abhängig von ihrer Größe nur bestimmte Spektrallinien. Die Forscher hoffen, aus den Nano-Pyramiden winzige, hocheffiziente und farblich variable Quantenpunktlaser mit bisher unerreichbaren Wellenlängen herstellen zu können. Mit derartigen Lasern als Nano-Werkzeugen ließen sich selbst feinste Strukturen exakt fertigen und submikrometerkleine Löcher in Glas oder Polymere bohren - als Filter für die Biotechnologie.

Auch mit Hilfe eines Bose-Einstein-Kondensats ließe sich ein Atomlaser konstruieren, dessen "Atomlicht" als Werkzeug in der Nanotechnik genutzt werden kann. Ein Bose-Einstein-Kondensat besteht aus einer Vielzahl von Atomen, die bei extrem tiefen Temperaturen zu einem bizarren Superatom verschmelzen, dabei völlig ihre Individualität verlieren und sich in vieler Hinsicht eher wie Licht verhalten. Experten rechnen damit, dass Quantenpunkt- und Atomlaser in Zukunft Produktionsvolumina von mehreren 100 Mrd. $ nach sich ziehen könnten. Jene Firmen, die diese Geräte zuerst kommerzialisieren, würden sich wohl ein riesiges Segment am Nanotechnik-Markt der Zukunft sichern.

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