Nano Geschichte

Wenn man von den winzigen Teilchen mit den riesigen Möglichkeiten hört, fragt man sich: Wie kam es zu dieser Entwicklung? Und wer kam überhaupt auf die Idee, sich mit diesen winzigen Teilchen zu beschäftigen? Die Nanotechnologie gibt es schon seit Jahrzehnten und sie befindet sich immer noch in der Entwicklung. Um einen Überblick über die Geschichte der Nanotechnologie zu schaffen, haben wir eine kleine Tabelle mit den wichtigsten Entwicklungsschritten erstellt. 

1959	Richard P. Feynman hält seinen Vortrag “There is plenty of Room at the Bottom”.
1974	Der Japaner Norio Taniguchi definiert den Begriff "Nanotechnologie“.
1981	Gerd Binnig und Heinrich Rohrer entwickeln das Rastertunnelmikroskop.
1985	Entdeckung von Fullerenen (stabilen Kohlenstoffmolekülen), heute auch Buckyballs genannt
1986	Gerd Binnig entwickelt zusammen mit Calvin Quate und Christopher Gerber das Rasterkraftmikroskop. Gerd Binnig und Heinrich Rohrer erhalten den Physiknobelpreis für die Entwicklung des Rastertunnelmikroskops. Eric Drexler veröffentlicht sein Buch „Engines of Creation“.
1989	Don Eigler wendet erstmals das Rastersondenverfahren beim Rastertunnelmikroskop an.
1991	Entdeckung von mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren Eric Drexler veröffentlicht sein Buch „Unbounding the Future“.

 

Der Physiker Richard P. Feynman hatte eine Vision. Er wollte der Vorreiter darin sein, Stoffe in sehr kleinem Maßstab zu manipulieren und zu kontrollieren. Als Beispiel nannte er einen Stecknadelkopf, auf den er die Encyclopaedia Britannica mit ihren 24 Bänden und insgesamt über 40 Millionen Wörtern schreiben wollte. Ein i-Punkt wäre dann ca. 32 Atome groß. Diese Idee trug er 1959 beim jährlichen Treffen der Amerikanischen Physikgemeinschaft des California Institute of Technology unter folgendem Titel vor: „There is plenty of Room at the Bottom“. Wörtlich übersetzt: „Es gibt jede Menge Raum auf dem Grund“. Feynman konnte sein Vorhaben, in solchen Dimensionen zu schreiben und zu lesen, in der damaligen Zeit noch nicht umsetzen, da das Elektronenmikroskop, das damals genaueste Mikroskop, noch nicht ausreichend präzise war. Aus diesem Grund rief er die Forscher auf ein präziseres Mikroskop zu entwickeln. Zwanzig Jahre später wurden dann das Rastertunnelmikroskop und das Rasterkraftmikroskop entwickelt. Die Mikroskopie wurde mithilfe von Computertechnologie revolutioniert. Auch für jene sah Feynman ein großes Verkleinerungspotenzial voraus. Damals füllten die Computer noch ganze Räume und brauchten Tage um bestimmte Dinge auszurechnen.

Wollte man den gesamten Text der Encyclopaedia Britannica Atom für Atom zusammensetzten, würde das Verfahren Jahre, wenn nicht Jahrzehnte dauern. Daher schlug Feynman vor, dass ein Weg gefunden werde, indem man Maschinen verkleinert. Zum Beispiel baut man zehn kleine „Hände“ , die alle zehn kleinere „Hände“ bauen, usw., bis man Milliarden winzig kleiner „Hände“ hat, die Atome und Moleküle verändern können. Später nannte man diese Idee Selbstorganisation. Dank dieses Verfahrens werden laut Feynman auch komplett neue Anwendungsgebiete entstehen können.

„Im Jahre 2000“, so sagte Feynman, „werden die Menschen sich wundern, warum noch keiner zuvor in dieser Richtung geforscht hat.“

Und denken Sie heute wirklich so?
 
Für die Grundlagenforschung der Nanotechnologie sind präzise Mikroskope unabdingbar. Ohne diese Grundlagenforschung sind keine Produkte mit Nanotechnologie möglich, denn in dieser Phase der Produktentwicklung werden Strukturen auf ihre Tauglichkeit für ein Produkt untersucht. Dabei ist vor allem die Oberflächenstruktur von unterschiedlichen Exponaten interessant. Mithilfe eines Mikroskops wurde zum Beispiel auch der Lotus-Effekt anhand der Oberflächenstruktur begründet.

Ein einfaches Mikroskop mit Linsensystemen kann Nanometer große Strukturen nicht für das menschliche Auge sichtbar machen, da Licht eine zu große Wellenlänge besitzt. Deshalb entwickelten Ernst Ruska und Max Knoll Anfang des 20. Jahrhunderts das Elektronenmikroskop. Bei diesem können jedoch die tatsächlichen Materialeigenschaften von den Eigenschaften der Probe abweichen. Weiterhin kann das Exponat durch die Vorbereitung für die Mikroskopie oder das Verfahren der Mikroskopie selbst verfälscht werden. Dieses Mikroskop ist also ebenfalls nicht optimal für die Untersuchung der Eigenschaften von Nanostrukturen.

Um Theorien über Nanostrukturen zu überprüfen und Produkte mit Nanopartikeln zu entwickeln, musste also nach neuen, für diesen Bereich sinnvoll anwendbaren Mikroskopen geforscht werden. Eine Lösung für das Problem fand man mit der Entdeckung der Rastersondenmikroskope.

Ein Rastersondenmikroskop ist ein Mikroskop, welches mithilfe einer Sonde die Oberfläche rasterartig abtastet und als Modell auf einem Computer für den Menschen sichtbar macht. Rasterartig bedeutet, dass das zu untersuchende Exponat in Teile untergliedert wird und diese systematisch abgefahren werden.

 
 
 Als 1981 der deutsche Physiker Gerd Binnig zusammen mit dem Schweizer Heinrich Rohrer die exponentielle Abhängigkeit des Tunneleffekts vom Abstand zweier Atome begründete, legten die beiden IBM-Forscher den Grundstein für eine bahnbrechende Erfindung. Sie entdeckten das Rastertunnelmikroskop und erhielten fünf Jahre später dafür den Physik-Nobelpreis.

Bei der Rastertunnelmikroskopie wird der Tunneleffekt genutzt, um die Oberflächenstruktur zu messen. Dieser besagt, dass zwei Atome, die sich im Abstand von weniger als einem Nanometer befinden, Elektronen austauschen können. Nun wird eine Metallspitze, an deren Spitze sich ein einziges Atom befindet, rasterartig über ein Exponat, das es zu untersuchen gilt, geführt. Dabei wird sowohl das Exponat als auch die Spitze mit einer Stromquelle verbunden und der fließende Strom wird gemessen. Die Spitze darf, damit ein Tunnelstrom auftritt, nicht mehr als 1 nm vom Exponat entfernt sein, darf es aber auch nicht berühren. Der Strom fließt aufgrund des Tunneleffekts von der Spitze zum Stoff und nimmt exponentiell zum geringer werdenden Abstand zu.

Es gibt prinzipiell zwei Verfahren, die Spitze über das Exponat zu bewegen:

Zum einen mit konstanter Stromstärke, also mit konstantem Abstand zum sich darunter befindenden Atom, was das Verfahren sehr präzise macht, weswegen es auch sehr lange dauert.
Zum anderen mit konstanter Höhe über der durchschnittlichen Oberflächenhöhe, wobei eine größere Geschwindigkeit erreicht werden kann, was aber eine sehr ebene Oberfläche voraussetzt.
Die Einschränkungen, die bei dieser Art der Mikroskopie gemacht werden müssen, sind:
Es muss sich bei dem Exponat um einen leitenden Stoff handeln, damit er mit Strom gespeist werden kann
Bei dem Ergebnis handelt es sich um eine elektronische Oberflächenstruktur, die häufig, aber nicht immer, der atomaren Oberflächenstruktur entspricht.
Aufgrund der hohen Auflösung ist das Rastertunnelmikroskop sehr erschütterungsempfindlich und kann deswegen nicht neben vielbefahrenen Straßen und nur in sehr fest fundamentierten Häusern aufgebaut werden.
Das Rastersondenverfahren: Mit dem Rastertunnelmikroskop kann man auch die Oberfläche eines Stoffes verändern, indem man für einen sehr kurzen Zeitraum sehr starken Strom anlegt und damit ein Atom an die Metallspitze anheftet und an einem anderen Ort mit einem sehr starken Stromschub wieder ablöst. Dies nennt man Rastersondenverfahren. Ende der achtziger Jahre schrieb Don Eigler von IBM den Namenszug des Unternehmens mit einzelnen Atomen. Er war damit der Erste, der Nanostrukturen Atom für Atom künstlich hergestellt hat.