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Drucken und Schreiben im Nanometermaßstab

Kunststoff-Stempel mit winzigsten Prägemustern simulieren das hochkomplexe Wachstum von Knochen, Eierschalen oder Schneckenhäusern, während ein Nano-Federhalter molekulare Schienenstränge vorzeichnet: Jüngste Forschungsergebnisse erschließen neue Welten der Strukturbildung im Submikrometerbereich.


Im Dezember 1959 hielt der geniale Physiker Richard Feynman einen Abendvortrag auf der Jahresversammlung der American Physical Society, in dem er als Prophet der Nanotechnologie auftrat – einer Welt aus Maschinen, deren Teile die Ausmaße von Molekülen haben. Als kleinen Anreiz für den Vorstoß in dieses Reich extremer Miniaturisierung setzte er zwei Preise in Höhe von 1000 Dollar aus: einen für einen Motor, der in jeder Raumrichtung nur 1/64 Zoll (0,4 Millimeter) messen sollte, und den zweiten für eine um den Faktor 25000 verkleinerte Buchseite – ein Maßstab, bei dem sich eine 20bändige Enzyklopädie in einem Stecknadelkopf unterbringen ließe.

Den Preis für den Mikromotor mußte Feynman praktisch umgehend aus der eigenen Tasche zahlen – er hatte das damals bereits Mögliche unterschätzt. Die verkleinerte Buchseite hingegen wurde erst 1985 Wirklichkeit, als der Doktorand Thomas Newman an der Universität Stanford (Kalifornien) in einmonatiger Arbeit die erste Seite des Dickens-Klassikers "A tale of two cities" mit einem Elektronenstrahl abschrieb.

Der hohe Arbeitsaufwand rührte teilweise daher, daß Newmans verkleinerte Buchseite nicht gedruckt, sondern handgeschrieben war. Die Elektronenstrahlmethode verhält sich zu den lithographischen Techniken, die in der Chipherstellung und der Mikrofabrikation zum Einsatz kommen, wie der Bleistift zur Gutenbergschen Druckerpresse. Sie erlaubt zwar eine höhere Detailgenauigkeit und die Erzeugung von Grautönen, mittels Lithographie aber kann man eine ganze Seite auf einmal drucken – und das beliebig oft. Wie im normalen Leben gibt es auch in der unsichtbar kleinen Welt der nanometergroßen Strukturen Umstände, die einen Bleistift, und andere, die eine Druckmaschine erfordern. Beide Arten der Mustererzeugung entwickeln sich denn auch in rasantem Tempo fort.


Mit Stempeltechnik zum Kristallmuster



Eine faszinierende neue Methode zur Herstellung von "Kleingedrucktem", deren Stärke vor allem in der Verbindung von Bio- und Nanotechnologie liegt, ist die Soft-Lithographie. Mit ihr konnten George Whitesides und sein Team an der Harvard-Universität in Cambridge (Massachusetts) zusammen mit Joanna Aizenberg von den AT&T-Bell-Laboratorien in Murray Hill (New Jersey) vor kurzem Muster aus nanometergroßen Kristallkeimen "stempeln", die nicht nur an genau festgelegten Orten, sondern auch mit einer einheitlichen Orientierung wuchsen (Nature, Bd. 398, S. 495).

Grundlage ist die Technik des Mikrokontaktdruckens, die Whitesides Gruppe vor einigen Jahren entwickelt hat (Spektrum der Wissenschaft, August 1994, S. 23). Dabei dienen die herkömmlichen lithographischen Methoden, mit denen immer kleinere Strukturen in Siliciumplättchen geätzt werden, zur Herstellung einer Gußform für den Nanostempel, der aus dem gummiartigen Kunststoff Poly-dimethyl-siloxan (PDMS) gefertigt wird. Aus einem Silicium-Negativ entsteht so ein Positiv-Muster auf dem PDMS-Stempel. Dieser läßt sich seinerseits mit organischen Fadenmolekülen "anfärben", die auf seiner Oberfläche eine bürstenartige monomolekulare Schicht bilden. Tragen sie an ihrem freien Ende eine bestimmte chemische Gruppe (Thiol, -SH), so können sie sich an eine Goldoberfläche binden und das Muster des Stempels darauf übertragen.

Genau nach diesem Prinzip funktionierte auch das jüngste Experiment. Mit einem PDMS-Stempel kopierten die Forscher ein quadratisches Gitter mit Kreisen an den Kreuzungspunkten auf ei-ne Edelmetalloberfläche. Die Moleküle der Stempeltinte waren langkettige Kohlenwasserstoffe (Alkane), die sich wiederum über eine Thiolgruppe an die Metalloberfläche banden, am anderen Ende jedoch einen wasserlöslichen Molekülteil trugen – etwa eine Carbonsäure-, Sulfonsäure- oder Alkoholgruppe. Nach Übertragung des Musters wurden die Zwischenräume mit einer anderen Molekülsorte aufgefüllt: gleichfalls einem Alkanthiol, dem jedoch die wasserliebenden (hydrophilen) Säure- oder Alkoholgruppen am anderen Ende fehlten.

Die so gemusterte Oberfläche tauchten die Forscher dann kopfunter in eine übersättigte Lösung von Calciumcarbonat (den Hauptbestandteil von Kalk, Kreide, Marmor und Muschelschalen). Nach einer halben Stunde waren die hydrophilen Inseln, und nur diese, mit Kristallen des Minerals Calcit (Kalkspat) bedeckt. Genauere Untersuchung der Morphologie und Orientierung der Kristalle ergab, daß sie in einem gegebenen Experiment stets alle dieselbe kristallographische Orientierung aufwiesen; wie sie relativ zur Oberfläche ausgerichtet waren, hing dabei von der jeweiligen Kombination aus Edelmetall und "Stempeltinte" ab. Auch die Größe der Kristalle und ihre Anzahl pro Insel ließ sich beeinflussen.

Damit ist es Wissenschaftlern erstmals gelungen, die Abscheidung eines kristallinen Materials aus der Lösung ähnlich genau zu steuern, wie Zellen dies tun, wenn sie keramikartige Strukturen wie Knochen, Eierschalen oder Schneckenhäuser aufbauen. Die Biomineralisation ist ein in der Natur weit verbreiteter und überaus wichtiger Vorgang, der sich bisher weder wissenschaftlich zufriedenstellend erklären noch technisch nachahmen läßt. Das neu entwickelte Verfahren wird sicherlich helfen, ihn genauer erforschen und besser verstehen zu können. Auch Anwendungen in verschiedenen Bereichen der Materialwissenschaften, von der Keramikherstellung bis hin zu Prothesen, lassen sich absehen. Bei künstlichen Implantaten ist die unerwünschte Abscheidung von Calcitkristallen oft ein Problem. Mit der Methode von Aizenberg, Whitesides und Mitarbeitern könnte man diesen Effekt auf solche Bereiche beschränken, wo die Kristalle nicht stören würden.

Die Möglichkeiten des Mikrokontaktdruckens sind vielfältig – insbesondere wenn man bedenkt, wieviele verschiedene Molekülarten und chemische Gruppen zur Kontaktierung eingesetzt werden können. Die räumliche Auflösung der Methode ist allerdings durch die konventionelle Lithographie begrenzt, die zur Herstellung des Stempels dient: Die Molekülmuster können am Ende nicht feiner sein als die kleinsten Strukturen, die sich aus einem Silicium-Block herausätzen lassen. Möglichkeiten zu weiterer Miniaturisierung eröffnen jedoch "manuelle" Techniken.

So hat die Arbeitsgruppe von Chad Mirkin an der Northwestern University in Evanston (Illinois) unlängst demonstriert, daß sich Molekülmuster handschriftlich mit noch besserer Auflösung aufbringen lassen als durch Mikrokontaktdrucken (Science, Bd. 283, S. 661). Die Forscher nutzten ein Phänomen, das sich in der Rasterkraftmikroskopie bisher nur störend bemerkbar gemacht hatte – die Kapillarwirkung des winzigen Spalts zwischen der Abtastnadel und der zu untersuchenden Oberfläche. Bei Experimenten, die an Raumluft durchgeführt werden, kann man nicht vermeiden, daß die Luftfeuchtigkeit am Spalt kondensiert, so daß die Nadel immer einen Wasserfilm mit sich herumzieht, der durch seine Oberflächenspannung zusätzliche Kräfte erzeugt und dadurch die Messung unter Umständen verfälscht.

Mirkins Arbeitsgruppe ver-wandelte diesen Nachteil kurzerhand in eine Chance und das Kraftmikroskop in einen Füllfederhalter. Der Trick besteht darin, daß die aufzutragenden Moleküle dank der Kapillarkräfte an der Wasseroberfläche von der Nadelspitze auf die Goldoberfläche wandern, die dabei gleichsam als Schreibpapier dient (Kasten). Die Ausbreitungsgeschwindigkeit läßt sich über den Durchmesser des Wassermeniskus steuern, der wiederum von der relativen Luftfeuchtigkeit im Probenraum abhängt. Über diesen Parameter und die Verweildauer der Nadel an einer Stelle kann man die Dicke der gezeichneten Punkte oder Striche genau steuern. Die dünnsten Linien, die sich mit dem Nanofüller auf Gold zeichnen lassen, sind zehn Nanometer breit und somit schmal genug für die von Feynman geforderte 25000-fach verkleinerte Schrift. Der weiteren Miniaturisierung steht in diesem Falle weniger die Auflösung der Schreibtechnik als die Papierqualität, sprich die Kornstruktur des Goldsubstrats, im Wege.

Die Nachfrage nach Gedrucktem und Handgemaltem im Nanometermaßstab wird nicht lange auf sich warten lassen. Massenprodukte wie Computerchips sorgen dafür, daß lithographisch immer feinere Strukturen in Silicium geätzt werden können, auch wenn man dabei allmählich an physikalische Grenzen stößt. Mit dieser fortschreitenden Miniaturisierung verbessert sich automatisch auch die Auflösung der Soft-Lithographie. Deren Stärke dürfte darin bestehen, kontrollierte Wechselwirkungen zwischen nanotechnischen und zellbiologischen Systemen zu ermöglichen. Außer den oben beschriebenen Kristallen können zum Beispiel auch Zel-len in genau definierter Weise auf nanostrukturierten Unterlagen angesiedelt werden. Das macht den Weg frei zu Sensoren oder pharmakologischen Tests mit höchster Empfindlichkeit.

Niemand wird letztendlich Buchseiten auf den Nanometermaßstab verkleinern wollen – eine derartige Informationsdichte realisiert man selbstverständlich besser in Bits als in Buchstaben. Aber eine andere Anwendung der hauchdünnen Striche zeichnet sich bereits ab: die Konstruktion einer molekularen Eisenbahn. Auf den feinen Linien lassen sich nämlich Schienen aus Kinesin-Molekülen abscheiden, über die dann Mikrotubuli flitzen können. Dasselbe System aus dem Motorprotein Kinesin und den steifen Bioröhren der Mikrotubuli dient etwa in Nervenzellen dazu, mit Botenstoffen gefüllte Vesikel (Bläschen) zwischen Kern und Zellmembran hin und her zu befördern. Nun mögen Nano-Züge als Spielerei eines Forschers erscheinen, der Kleine-Jungen-Träumen nachhängt. Doch zum einen ist Viola Vogel, die an der Universität von Washington in Seattle an der molekularen Eisenbahn bastelt, eine Frau, und zum anderen könnte ein solches Transportsystem zum Beispiel ein wichtiges Element einer Nanofabrik sein.

Eine weitere faszinierende Perspektive der weichen Nanotechnologie ist die Durchführung von chemischen und biochemischen Analysen im Zellmaßstab. Damit ließe sich ein komplettes medizinisches Labor auf einem Mikrochip unterbringen


Aus: Spektrum der Wissenschaft 9 / 1999, Seite 17
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
9 / 1999

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 9 / 1999

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