Nanotechnologie: Ingenieurskunst auf der Skala der Atome

Am Abend des 29. Dezember 1959, beim jährlichen Dinner der American Physical Society am Caltech in Pasadena, stand Richard Feynman am Rednerpult und sagte einem Saal voller Physiker, dass ganz unten noch viel Platz sei. Er meinte das untere Ende der Größenskala, das Reich der Atome und Moleküle, und er verbrachte seinen Vortrag nach dem Essen damit, zu argumentieren, dass nichts in den Gesetzen der Physik uns verbiete, Maschinen, Werkzeuge und Schriftzeichen so klein zu bauen, dass die gesamte Encyclopaedia Britannica auf einen Stecknadelkopf passen würde. Um seinem Punkt Nachdruck zu verleihen, lobte er zwei Preise von je tausend Dollar aus, einen für den ersten funktionierenden Elektromotor, der kleiner als ein Vierundsechzigstel Zoll ist, und einen für jeden, der eine Textseite schreiben könnte, die um den Faktor fünfundzwanzigtausend verkleinert ist. Der Motorpreis wurde binnen eines Jahres von einem Ingenieur eingestrichen, der es mit gewöhnlichem Werkzeug und Geduld schaffte. Die geschrumpfte Seite dauerte länger.

Der Vortrag mit dem Titel There's Plenty of Room at the Bottom hätte für ein weiteres Jahrzehnt nicht einmal ein Fachgebiet gehabt, dem er hätte angehören können, denn das Wort „Nanotechnologie" war noch nicht geprägt worden. Doch er wird zu Recht als die Gründungsschrift der Disziplin erinnert, der Moment, in dem jemand mit untadeligen Verdiensten laut aussprach, dass das Allerkleinste nicht nur kleiner, sondern anders ist und dass dieser Unterschied es wert ist, ihm nachzujagen. Dieser Artikel handelt davon, was geschieht, wenn man Feynman ernst nimmt und tatsächlich Dinge auf dieser Skala baut, und davon, warum Materie, wenn man sie weit genug herunterschneidet, aufhört, sich wie eine kleinere Version ihrer selbst zu verhalten, und anfängt, sich wie etwas wahrhaft Neues zu verhalten.

Das Fenster zwischen einem und hundert Nanometern

Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter, ungefähr die Breite von drei oder vier in einer Reihe aufgereihten Atomen. Ein Nanomaterial wird definiert als jede Struktur mit mindestens einer Dimension, die zwischen etwa 1 und 100 Nanometern liegt. Dieses „mindestens eine Dimension" ist von Bedeutung, denn es heißt, dass eine Schicht ein Nanomaterial sein kann, während sie sich in ihren anderen beiden Richtungen über einen ganzen Objektträger erstreckt, solange sie nur ein oder zwei Atome dick ist.

Was dieses Fenster besonders macht, ist, dass zwei physikalische Effekte, die beide in alltäglicher Volumenmaterie vernachlässigbar sind, hier ausschlaggebend werden. Der erste ist geometrischer Natur. Wenn man ein Objekt schrumpft, steigt der Anteil seiner Atome, die an der Oberfläche sitzen statt im Inneren vergraben zu sein, steil an, sodass das Verhältnis von Oberfläche zu Volumen dramatisch zunimmt. Ein Kieselstein hat fast alle seine Atome sicher im Inneren eingeschlossen; ein Nanopartikel derselben Substanz kann einen großen Anteil seiner Atome an der Oberfläche freilegen, wo sie weit reaktionsfreudiger sind. Der zweite Effekt ist quantenmechanischer Natur. Elektronen im Inneren eines Festkörpers sind keine punktförmigen Teilchen, die wie Murmeln umherrasseln, sie verhalten sich wie Wellen mit einer charakteristischen Wellenlänge. Wenn die Struktur, die ein Elektron einschließt, kleiner wird als diese natürliche Wellenlänge, kann das Elektron nicht länger als freier Bürger des Volumens behandelt werden; seine erlaubten Energien werden zusammengedrückt und quantisiert, ein Phänomen, das man Quanteneinschluss nennt. Das Fenster von 1 bis 100 Nanometern ist genau der Bereich, in dem diese beiden Effekte, die Oberflächendominanz und der Quanteneinschluss, anfangen, den optischen, elektrischen und chemischen Charakter eines Materials neu zu schreiben.

Vier Formen, geschnitzt aus Kohlenstoff und Kristall

Das moderne Fachgebiet ist praktischerweise um vier kanonische Strukturen herum geordnet, und eine saubere Art, sie auseinanderzuhalten, besteht darin, zu zählen, wie viele ihrer Dimensionen auf den Nanomaßstab eingeschränkt sind. Ein Fulleren ist ein winziger Käfig, in allen drei Richtungen eingeschränkt, also hat es null „freie" Dimensionen. Eine Kohlenstoffnanoröhre ist in zwei Richtungen eingeschränkt, kann aber entlang ihrer Achse über große Längen verlaufen, sie ist also effektiv eindimensional. Graphen ist eine einzige flache Schicht, nur in ihrer Dicke eingeschränkt, was zwei freie Dimensionen übrig lässt. Ein Quantenpunkt ist, wie das Fulleren, ein in allen drei Richtungen eingeschränkter Punkt und somit nulldimensional. Drei dieser vier bestehen vollständig aus Kohlenstoff, was kein Zufall ist: Die Bereitschaft des Kohlenstoffs, sich in flachen sechseckigen Anordnungen mit sich selbst zu verbinden, verleiht ihm eine Vielseitigkeit, die kein anderes Element erreicht. Das vierte, der Quantenpunkt, stammt aus der Welt der Halbleiterkristalle. Zusammen bilden sie das Arbeitsvokabular der Nanowissenschaft, und jedes kam mit seiner eigenen Entdeckungsgeschichte.

Der Fußball und die aufgerollte Schicht

Im September 1985 verdampften Harold Kroto, Richard Smalley und Robert Curl an der Rice University in Houston Graphit mit einem Laser und untersuchten die Kohlenstoffcluster, die aus der Rauchfahne kondensierten. Ein Cluster, der aus genau sechzig Kohlenstoffatomen bestand, tauchte immer wieder mit verdächtiger Stabilität auf. Die Struktur, die sie zur Erklärung vorschlugen, war ein geschlossener Käfig aus zwölf Fünfecken und zwanzig Sechsecken, die Form eines Fußballs, geometrisch ein abgestumpftes Ikosaeder. Sie nannten es Buckminsterfulleren nach Buckminster Fuller, dem Architekten der geodätischen Kuppel, dessen Bauwerken das Molekül ähnelte. Die Entdeckung dieser dritten stabilen Form reinen Kohlenstoffs, neben Diamant und Graphit, brachte den dreien 1996 den Nobelpreis für Chemie ein.

Sechs Jahre nach dem Fulleren, im Jahr 1991, untersuchte Sumio Iijima am NEC-Grundlagenforschungslabor in Tsukuba, Japan, mit einem Transmissionselektronenmikroskop den Ruß, der von einer elektrischen Bogenentladung zurückgelassen wurde. Durch den Ruß gefädelt fand er Nadeln, hohle Zylinder, die genau aussahen wie zu Röhren gerollte Kohlenstoffschichten, ineinander verschachtelt wie die Ringe eines Baumes. Er veröffentlichte diese mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren am 7. November 1991 in Nature, und einwandige Versionen folgten 1993. Eine Kohlenstoffnanoröhre ist im Wesentlichen eine zu einem nahtlosen Zylinder gewickelte Graphenschicht, und das Ergebnis ist eines der stärksten bekannten Materialien, mit gemessenen Zugfestigkeiten über 60 Gigapascal, weit jenseits der besten Stähle. Dieselbe Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung, die Diamant hart macht, macht die Nanoröhre, wenn man entlang ihrer Länge zieht, nahezu unzerreißbar.

Ein einziges Atom dick, mit Klebeband abgezogen

Die Schicht, aus der sich die Nanoröhre aufrollt, hat ihre eigene gefeierte Geschichte, und es ist eine wunderbar wenig technische. Jahrzehntelang nahmen Physiker an, dass ein wahrhaft zweidimensionaler Kristall, ein Atom dick, thermodynamisch instabil sei und schlicht nicht als freistehendes Objekt existieren könne. Im Jahr 2004 bewiesen Andre Geim und Konstantin Novoselov an der Universität Manchester mit einer Methode das Gegenteil, die so einfach ist, dass sie wie ein Witz klingt. Sie drückten gewöhnliches Klebeband auf einen Graphitblock, zogen es mit einer dünnen Schuppe ab, falteten das Band auf sich selbst und rissen es wieder auseinander und wiederholten dieses Spalten, bis der auf dem Band verbliebene Rückstand stellenweise eine einzige Schicht von Kohlenstoffatomen war. Das Übertragen der dünnsten Schuppen auf einen oxidierten Siliziumwafer erlaubte es ihnen, die Monolagen zu finden und zu untersuchen. Dies ist Graphen, eine flache Wabe aus Kohlenstoff, ein Atom dick, und es erweist sich als außergewöhnlich: außerordentlich stark, ein hervorragender Leiter von Wärme und Elektrizität und nahezu durchsichtig. Ihre Arbeit Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films erschien am 22. Oktober 2004 in Science, und die beiden teilten sich 2010 den Nobelpreis für Physik. Die Lehre war demütigend und beflügelnd zugleich, dass ein nobelpreiswürdiges Material in jedem jemals gezogenen Bleistiftstrich verborgen lag und darauf wartete, dass jemand es dünn genug abzieht.

Farbe, die sich allein durch die Größe einstellen lässt

Beim Quantenpunkt zeigt der Quanteneinschluss am eindrücklichsten, was er kann, denn man kann es mit eigenen Augen sehen. Ein Quantenpunkt ist ein Halbleiternanokristall, der klein genug ist, dass der Einschluss seine Bandlücke verschiebt, jenen Energiesprung, den ein Elektron tun muss, um Licht zu absorbieren oder auszusenden. Macht man den Kristall ein wenig kleiner, drückt man diese Lücke weiter auf, was das ausgesandte Licht zum blauen Ende des Spektrums schiebt; lässt man ihn ein wenig größer werden, verengt sich die Lücke und schiebt die Farbe zum Rot hin. Die verblüffende Folge ist, dass zwei Punkte identischer chemischer Zusammensetzung allein wegen ihrer Größe in verschiedenen Farben leuchten können, eine Eigenschaft, die kein Volumenmaterial besitzt. Ein Glas voll Cadmiumselenid im Volumen ist nur ein dunkles Pulver, doch als Nanokristalle kann dieselbe Verbindung über den ganzen Regenbogen hinweg fluoreszieren.

Die Entdeckung kam in Etappen. Alexei Ekimov beobachtete 1981 den größenabhängigen Effekt in Kupferchloridkristallen, die in Glas eingebettet waren, während seiner Arbeit in der Sowjetunion. Louis Brus zeigte 1983 in den Bell Labs dieselbe Physik für in Flüssigkeit schwebende Cadmiumsulfidpartikel und bewies damit, dass es sich nicht um eine Eigenart des Glases handelte. Und Moungi Bawendi entwickelte 1993 die Synthese, die schließlich Chargen von Punkten hervorbrachte, die einheitlich genug waren, um nützlich zu sein, monodisperse Kristalle, die alle sehr nahezu dieselbe Größe hatten. Die drei teilten sich 2023 den Nobelpreis für Chemie, eine Erinnerung daran, dass manche dieser Geschichten vierzig Jahre brauchen, um zu reifen. Quantenpunkte erhellen heute die lebhaftesten Fernsehbildschirme und markieren einzelne Moleküle in der biologischen Bildgebung.

Warum es alles verändert, größtenteils Oberfläche zu sein

Es wäre ein Fehler, sich Nanomaterialien lediglich als kleine Klumpen gewöhnlichen Stoffes vorzustellen. Das hohe Verhältnis von Oberfläche zu Volumen bedeutet, dass ein großer Anteil ihrer Atome an der Oberfläche lebt, und Oberflächenatome sind ruhelos: Sie haben unbefriedigte Bindungen, sie sind katalytisch aktiv, chemisch reaktionsfreudig und oft auf eine Weise optisch markant, wie es das Innere nicht ist. Dieser geometrische Bonus ist in Dutzenden von Produkten still am Werk. Titandioxid-Nanopartikel in Sonnencreme streuen und absorbieren ultraviolettes Licht, während sie durchsichtig bleiben, statt einen weißen Schmierfilm zu hinterlassen. Silbernanopartikel mit so viel reaktiver Oberfläche setzen Ionen frei, die sie zu starken antimikrobiellen Beschichtungen machen. Platinnanopartikel, die über die Wabe eines Auto-Katalysators verteilt sind, legen eine gewaltige katalytische Fläche aus einer winzigen, teuren Metallmasse frei und wandeln Abgase weit effizienter um, als es ein massiver Platinklumpen je könnte.

Dieselbe Logik treibt eine der folgenreichsten Anwendungen an, die Nanomedizin, die nanoskalige Träger wie Lipidnanopartikel, polymere Mizellen und Goldnanoschalen nutzt, um Wirkstoffe gezielter zuzustellen als eine im Ganzen geschluckte Volumenpille. Ein im Blutstrom aufgelöster Wirkstoff geht überallhin; ein in einem Nanopartikel verpackter Wirkstoff lässt sich lenken, abschirmen und dort freisetzen, wo er gebraucht wird. Der bislang größte klinische Einsatz dieser Idee sind die mRNA-COVID-19-Impfstoffe von Pfizer-BioNTech und Moderna, beide im Dezember 2020 zugelassen, bei denen empfindliche Stränge von Boten-RNA in Lipidnanopartikel eingehüllt werden, die sie schützen und in die Zellen befördern. Milliarden Dosen später ist die Nanomedizin in einem Maßstab erprobt worden, den Feynman sich kaum hätte vorstellen können.

Die Gefahren, die wir noch zu messen lernen

All dies hat eine ernüchternde Seite. Nanomaterialien werden inzwischen industriell zu Tausenden Tonnen pro Jahr hergestellt, und die Toxikologie und die regulatorischen Rahmenwerke sind hinter der Chemie zurückgeblieben. Genau jene Reaktionsfreudigkeit, die ein Nanopartikel nützlich macht, kann es auch biologisch aggressiv machen, und ein Partikel, das klein genug ist, um in Zellen zu schlüpfen und Membranen zu durchqueren, die ein größeres Korn aufhalten würden, verlangt sorgfältige Untersuchung. Die fortbestehende vorsorgliche Sorge ist die Asbest-Analogie: lange, dünne, haltbare Fasern, ob aus Asbest oder aus bestimmten Nanoröhren mit hohem Längenverhältnis, können sich im Lungengewebe festsetzen und der Beseitigung widerstehen, und die Parallele wird ernst genug genommen, dass Forscher gezielt darauf prüfen. Die Regulierungsbehörden haben aufgeholt. Die Europäische Union erließ 2011 eine Empfehlung der Kommission, die ein Nanomaterial für regulatorische Zwecke definierte, und die US-amerikanische Food and Drug Administration veröffentlicht seit 2014 Leitlinien zur Nanotechnologie. Die ehrliche Position lautet, dass wir ein gewaltiges Experiment fahren und parallel dazu die Regeln dafür schreiben, und intellektuelle Bescheidenheit hinsichtlich der Langzeitwirkungen ist angebracht.

Die wichtigsten Erkenntnisse

Ein Nanomaterial ist jede Struktur, die in mindestens einer Dimension zwischen etwa 1 und 100 Nanometern misst, ein Fenster, in dem zwei Effekte die Oberhand gewinnen, die in der Volumenmaterie verschwinden: ein steiler Anstieg des Verhältnisses von Oberfläche zu Volumen, der einen großen Anteil der Atome an die reaktive Oberfläche bringt, und der Quanteneinschluss, der die Elektronenenergien quantisiert, sobald die Struktur kleiner ist als die natürliche Wellenlänge des Elektrons. Richard Feynmans Vortrag There's Plenty of Room at the Bottom vom Dezember 1959 eröffnete das Fachgebiet, und vier kanonische Strukturen verankern es, die jeweils auf null, ein, zwei und null eingeschränkte Dimensionen abbilden: das Fulleren C60 (Kroto, Smalley und Curl, 1985, Nobelpreis 1996), die Kohlenstoffnanoröhre (Iijima, 1991, mit Zugfestigkeiten über 60 Gigapascal), das Graphen (Geim und Novoselov, 2004, mit Klebeband isoliert, Nobelpreis 2010) und der Quantenpunkt (Ekimov, Brus und Bawendi, Arbeiten von 1981 bis 1993, Nobelpreis 2023), dessen Farbe allein von der Größe abhängt. Diese Prinzipien untermauern echte Technologie, von Titandioxid-Sonnencreme und Platin-Katalysatoren bis zu den mRNA-Impfstoffen mit Lipidnanopartikeln aus dem Jahr 2020, während Toxikologie und Regulierung, mit der Asbest-Analogie als leitender Sorge, darum wetteifern, mit einer Chemie aufzuholen, die bereits zu Tausenden Tonnen hergestellt wird.