Nanowelt hat ihre eigenen Regeln
Naturgesetze in Unordnung

Der Übergang in die Nanowelt ist viel mehr als bloß eine weitere Miniaturisierung. Das Zwergenreich hat ganz eigene Regeln, von denen einige sogar zur Grundlage des Lebens geworden sind.

HB/dpa HAMBURG. "Erbgut-Bausteine können sich wie durch Zauberhand von selbst zu einem komplexen Muster zusammenfügen", erläutert der Münchner Physiker Wolfgang Heckl, der an der Ludwig-Maximilians-Universität (LMU) die Entwicklung des Lebens auf der Skala von Molekülen erforscht. In der Alltagswelt gibt es diese erstaunliche Selbstorganisation nicht: "Aus einem Haufen Lego-Steine entsteht von selbst keine Burg", sagt Heckl. "Insofern hat natürliche Nanotechnik erst dazu geführt, dass Leben entstehen konnte."

Auch in anderen Bereichen ist die Nanowelt dem Makrokosmos klar überlegen. "Ein durch ein Kabel wanderndes Elektron beispielsweise lässt sich mit einem Betrunkenen vergleichen, der durch eine Menschenmenge torkelt", erklärt Christian Röthig, Geschäftsführer des Forschungszentrums für Funktionale Nanostrukturen (CFN) der Universität Karlsruhe. "Der rempelt Leute an, die Gemüter erhitzen sich - ähnlich dem Elektron, dass mit Atomen kollidiert und so zur Erwärmung des Leiters führt." Derartige Zusammenstöße erhitzen die Leiterbahnen auf Chips ganz beträchtlich. "Ein erheblicher Teil der Leistung eines Chips geht als Wärme verloren", sagt Röthig.

Einen Ausweg bietet die auf Nanotechnik basierende so genannte ballistische Elektronenleitung. "Macht man den Leiter winzig dünn, kann das Elektron nur noch mit wenigen Atomen zusammenstoßen - ähnlich einem Betrunkenen in einem sehr engen Korridor", erklärt Röthig. Zusammenstöße mit den Wänden lassen die Gemüter der Umstehenden kalt - ebenso lässt der Kontakt des Elektrons mit dem Rand der Leitung keine Wärme entstehen. "Physiker schicken das Elektron nun noch mit einer Art Schleuder so durch den Kanal, dass es kaum oder gar nicht an andere Atome stößt - ein solches Kabel leitet nahezu verlustfrei."

Gerade in der Elektronik hat die Nanowelt allerdings auch ihre Tücken, wie Heckl erläutert. "Bei Leiterbahnen, die nur noch wenige Atome breit sind, kommt es zu Quanteneffekten." So können sich zwei eng beieinander liegende Bahnen gegenseitig beeinflussen, Elektronen können durch die trennende Barriere hindurch "tunneln".

Für viele Quanteneffekte gibt es keine Entsprechung in der makroskopischen Welt. So lässt sich der Aufenthaltsort eines einzelnen Elektrons gemäß der Heisenbergschen Unschärferelation nur mit einer gewissen Ungenauigkeit bestimmen. "Es ist, als ob ich einen Ball werfe und dann nicht ganz genau weiß, wo er ist", sagt Heckl - ein Problem für künftige Schaltungen, die mit wenigen oder einzelnen Elektronen arbeiten sollen.

Auch in der Mechanik sind die Verhältnisse im Kleinen ganz anders als im Großen. Röthig: "Je kleiner beispielsweise das Volumen eines Teilchens ist, desto größer wird im Verhältnis dazu seine Oberfläche." Deshalb seien die von der Oberfläche bestimmten Eigenschaften im Nanobereich erheblich wichtiger als die vom Volumen festgelegten. "Nanopartikel sind in guter Näherung als gewichtsfrei anzusehen."

Dadurch entsteht beispielsweise das Problem, dass Nanopartikel sich schwer transportieren lassen, da sie wegen ihrer verhältnismäßig großen Oberfläche hartnäckig an Greifer oder Nadel festkleben. Allerdings haben die Nano-Forscher bereits ganz gut gelernt, mit einzelnen Atomen und Molekülen umzugehen, indem sie etwa den Greifer mit einer Enthaftungsschicht versehen.

"Die Mechanik erlebt durch die Nanotechnologie eine Renaissance", betont Röthig. In der Nanowelt wird mechanischer Verschleiß beherrschbar, Reibungsverluste lassen sich auf praktisch Null reduzieren. Zudem sind Forscher heute in der Lage, extrem kleine Kräfte zu messen und zu steuern. "Mittlerweile können Geräte Kraftveränderungen von der Größe eines Piko-Newtons erfassen - Das entspricht der Kraft, die der gebündelte Lichtkegel einer gewöhnlichen Taschenlampe auf die angestrahlte Fläche ausübt."

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