Kieselalgen
Baumeister der Natur

Sie sehen aus wie gewöhnlicher Sand - doch sie könnten die Welt der Nanotechnologie revolutionieren: Kieselalgen schützen sich in einem filigran strukturierten Gehäuse aus Siliziumdioxid. Warum die Einzeller für Forscher so interessant sind.
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DÜSSELDORF. Das soll die Zukunft der Nanotechnologie sein? Das ist eine Handvoll Sand. Ganz gewöhnlicher Dreck.

Mit bloßem Auge betrachtet, haben Kieselalgen-Gehäuse nichts Beeindruckendes: Sie sehen aus wie Sandkörner. Erst unter dem Mikroskop erkennt man, welche Wunder der Natur man vor sich hat: Die Vergrößerung offenbart filigrane Gehäuse aus Siliziumdioxid, demselben Material, aus dem die Natur Edelsteine und der Mensch Glas herstellt. Diese feinen, aber äußert stabilen Glaspaläste bauen sich die Einzeller als Schutz vor Fressfeinden.

Diatomeen-Experten schätzen, dass es mehrere Zehntausend, vielleicht sogar mehr als 100 000 Kieselalgenarten im pflanzlichen Plankton der Meere, Seen und Flüsse gibt. „Und jede Art baut ihren eigenen Gehäusetyp“, sagt Richard Gordon bewundernd. Der Professor für Theoretische Physik von der Universität von Manitoba in Winnipeg ist seit Jahrzehnten Diatomeen-Liebhaber. Er hat – durch Zufall – die Diatomeen-Nanotechnologie aus der Taufe gehoben, als er 1988 in einem Vortrag vor Ingenieuren die kleinen Kieselalgen als Mikrofabriken anpries.

Die kleinsten Diatomeen-Gehäuse, auch Frusteln genannt, sind nur zwei Mikrometer groß, etwa ein Fünfzigstel der Dicke eines Haares. Die größten erreichen Ausmaße von bis zu zwei Millimetern. Manche sind rund, andere dreieckig, einige sehen aus wie fliegende Untertassen oder Seesterne, andere haben kleine Türmchen an den Ecken. Jede Frustel ist gleichmäßig mit Poren, Stegen und anderen Strukturen überzogen, die nur wenige Nanometer (also millionstel Millimeter) klein sind. Und das ist es, was die Einzeller für die Forschung so interessant macht: Sie sind exzellente Baumeister im Nanometerbereich.

„Sie produzieren komplexe 3-D-Strukturen mit großer Genauigkeit in offenbar unendlichen Variationsmöglichkeiten“, sagt Nils Kröger vom Georgia Institute of Technology in Atlanta. Von diesem Kunststück ist die Nanotechnologie noch meilenweit entfernt. Sie gilt zwar als Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts, doch so richtig in die dritte Dimension ist die Fertigung noch nicht abgehoben, findet Mark Hildebrand. „Mit den bekannten Prozessen entstehen vor allem zweidimensionale Strukturen und nur Rudimentäres in 3-D“, sagt der Experte für Diatomeen-Zellwände von der Scripps Institution of Oceanography an der University of California, San Diego.

Auch von der Fertigungsgeschwindigkeit der einzelligen Baumeister können menschliche Nanotechnologen nur träumen: Mehrmals am Tag teilen sich die Zellen mitsamt Gehäuse, das wie eine Butterbrotdose aus zwei Hälften aufgebaut ist. Bei nur drei Teilungen am Tag entstehen so innerhalb von zehn Tagen mehr als eine Milliarde Zellen mit perfekt ausgearbeiteten Gehäusen in 3-D. Da kann kein industrieller Fertigungsprozess mithalten. Schon gar nicht im Nanometerbereich.

Doch von der industriellen Produktion ist auch die Kieselalgen-Nanotechnologie noch weit entfernt. „Noch gibt es keine kommerzielle Anwendung, die auf Diatomeen-Nanotechnologie basiert“, sagt Richard Gordon. Die Forschungsrichtung entwächst gerade erst den Kinderschuhen. Erste Patente wurden angemeldet, Ideen und Visionen gibt es viele. Gordon hat sie erst kürzlich wieder in einem Artikel im Fachmagazin „Trends in Biotechnology“ zusammengefasst.

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