Von Mirko Smiljanic
"Immer kleiner, immer schneller" - dieser Maxime folgt mittlerweile nicht nur die Informationstechnologie; spätestens seit gentechnische Methoden alltäglich sind in der medizinischen Forschung, hat die Miniaturisierung auch die Biologie erreicht. Und je tiefer Wissenschaftler in Zellen eindringen, desto kleiner werden die Strukturen, desto gröber sind selbst feinste mechanische Werkzeuge. Licht - sagt Dr. Eckhard Heybrock, Technologieberater für Laser- und Optikforschung beim VDI Düsseldorf - ist die einzig denkbare Lösung.
Ich kann Genschnipsel manipulieren mit Licht, ich kann mit der Lichtpinzette Gene in der lebenden Zelle, manipulieren, verändern, ich kann sie aber auch untersuchen mit Licht in der lebenden Zelle, und nur dort spielen sich die Krankheiten ab.
Alleine die Kraft des gebündelten Laserlichts kann mikroskopisch kleine Objekte einfangen, bewegen und mikrochirurgisch bearbeiten. Laser von hoher Strahlqualität werden in Forschungsmikroskope eingekoppelt und durch das Objektiv auf einen Durchmesser von weniger als einen Mikrometer fokussiert. Da die meisten biologischen Objekte für die verwendete Laserwellenlänge transparent sind, lässt sich biologisches Material ohne Änderung der Eigenschaften bearbeiten - sogar in lebenden Zellen. Gepulste Laser erzeugen zudem eine so hohe Konzentration an Lichtphotonen, dass sie chemische Bindungen aufbrechen und Biomoleküle in ihre atomaren Bestandteile zerlegen. Weil dabei keine Hitze entsteht, bleiben die unmittelbar benachbarten biologischen Bereiche vollkommen intakt. Das Bearbeiten biologischer Materialien ist aber nur eine denkbare Anwendung von Licht, eine andere sind Biochips.
Auf einem Biochip ist verschiedenes genetisches Material - Proteine, Proteinschnipsel - aufgebracht. Sie überspülen einen solchen Chip mit verschiedenen pharmazeutischen Elementen, um jetzt einfach festzustellen, welcher Wirkstoff wirkt auf welches Proteinschnipsel. Das durchleuchten Sie mit dem Laser, es entsteht ein Lichtsignal, und dieses Lichtsignal untersucht man.
Ganz andere Möglichkeiten für Licht sehen Ingenieure in der Informationstechnologie: Mit Licht werden Daten transportiert - über klassische Glasfasern etwa; Licht speichert Informationen - CD und DVD sind hier die Stichworte; und Licht bildet ab, etwa über moderne Bildschirme. Licht ist aber auch wichtig für die Produktion von Computerprozessoren: Je kleiner die Strukturen sind, des kürzer müssen die Wellenlänge des Lichtes sein, das die Vorlage belichtet. Zur Zeit bewegen sich die Wissenschaftler im Bereich von 197 Nanometer. Angepeilt sind 157 Nanometer, da drunter geht's dann erst bei dreizehn Nanometer weiter. Ein gewaltiger Sprung mit vielen Konsequenzen. So wissen die Forscher etwa, so Heybrock:
Dass sich damit aber auch alle anderen optischen Eigenschaften eines Systems ändern: Für dreizehn Nanometer gibt es keine Optik mehr in dem Sinne, dass ich sage, ich habe eine Linse, eine transmissive Optik, es gibt einfach kein Material, dass dieses Licht noch durchlässt. Da kommen auch die dreizehn Nanometer her, denn erst ab dreizehn Nanometer gibt es wieder bestimmte Schichten, die wenigsten das Licht reflektieren können.
Das Ende der Fahnenstange ist damit noch nicht erreicht. Möglicherweise entscheidet auch nicht die Wellenlänge des Lichtes über das Ende des konventionellen Prozessorbaus, sondern die Größe der Elektronen: Irgendwann sind sie zu groß. Heybrock:
Da ist natürlich die LED, die jedermann inzwischen kennt. Weißlicht-LEDs mit einem Wirkungsgrad von 70 Prozent können viele Anwendungen in der Beleuchtung ablösen, oder dass man sich vorstellt, dass ein effizienter Plasmabrenner irgendwo im Keller eines Hauses ein ganzes Haus versorgen kann mit Licht, der Rest ist dann nur noch Lichtverteilung, so wie ich heute Strom verteile, könnte ich Licht verteilen zu den Punkten, wo es leuchten soll.
Noch sind dies Visionen, allzu lange dauert es aber nicht mehr bis Forscher sie in die Tat umsetzen. Immerhin - sagt Eckhard Heybrock vom VDI-Technologiezentrum - steht die Lichttechnik unmittelbar vor einem gewaltigen Bedeutungswandel: Vergleichbar mit der Mikroelektronik, die heute so gut wie jeden Bereich des Lebens dominiert.
"Immer kleiner, immer schneller" - dieser Maxime folgt mittlerweile nicht nur die Informationstechnologie; spätestens seit gentechnische Methoden alltäglich sind in der medizinischen Forschung, hat die Miniaturisierung auch die Biologie erreicht. Und je tiefer Wissenschaftler in Zellen eindringen, desto kleiner werden die Strukturen, desto gröber sind selbst feinste mechanische Werkzeuge. Licht - sagt Dr. Eckhard Heybrock, Technologieberater für Laser- und Optikforschung beim VDI Düsseldorf - ist die einzig denkbare Lösung.
Ich kann Genschnipsel manipulieren mit Licht, ich kann mit der Lichtpinzette Gene in der lebenden Zelle, manipulieren, verändern, ich kann sie aber auch untersuchen mit Licht in der lebenden Zelle, und nur dort spielen sich die Krankheiten ab.
Alleine die Kraft des gebündelten Laserlichts kann mikroskopisch kleine Objekte einfangen, bewegen und mikrochirurgisch bearbeiten. Laser von hoher Strahlqualität werden in Forschungsmikroskope eingekoppelt und durch das Objektiv auf einen Durchmesser von weniger als einen Mikrometer fokussiert. Da die meisten biologischen Objekte für die verwendete Laserwellenlänge transparent sind, lässt sich biologisches Material ohne Änderung der Eigenschaften bearbeiten - sogar in lebenden Zellen. Gepulste Laser erzeugen zudem eine so hohe Konzentration an Lichtphotonen, dass sie chemische Bindungen aufbrechen und Biomoleküle in ihre atomaren Bestandteile zerlegen. Weil dabei keine Hitze entsteht, bleiben die unmittelbar benachbarten biologischen Bereiche vollkommen intakt. Das Bearbeiten biologischer Materialien ist aber nur eine denkbare Anwendung von Licht, eine andere sind Biochips.
Auf einem Biochip ist verschiedenes genetisches Material - Proteine, Proteinschnipsel - aufgebracht. Sie überspülen einen solchen Chip mit verschiedenen pharmazeutischen Elementen, um jetzt einfach festzustellen, welcher Wirkstoff wirkt auf welches Proteinschnipsel. Das durchleuchten Sie mit dem Laser, es entsteht ein Lichtsignal, und dieses Lichtsignal untersucht man.
Ganz andere Möglichkeiten für Licht sehen Ingenieure in der Informationstechnologie: Mit Licht werden Daten transportiert - über klassische Glasfasern etwa; Licht speichert Informationen - CD und DVD sind hier die Stichworte; und Licht bildet ab, etwa über moderne Bildschirme. Licht ist aber auch wichtig für die Produktion von Computerprozessoren: Je kleiner die Strukturen sind, des kürzer müssen die Wellenlänge des Lichtes sein, das die Vorlage belichtet. Zur Zeit bewegen sich die Wissenschaftler im Bereich von 197 Nanometer. Angepeilt sind 157 Nanometer, da drunter geht's dann erst bei dreizehn Nanometer weiter. Ein gewaltiger Sprung mit vielen Konsequenzen. So wissen die Forscher etwa, so Heybrock:
Dass sich damit aber auch alle anderen optischen Eigenschaften eines Systems ändern: Für dreizehn Nanometer gibt es keine Optik mehr in dem Sinne, dass ich sage, ich habe eine Linse, eine transmissive Optik, es gibt einfach kein Material, dass dieses Licht noch durchlässt. Da kommen auch die dreizehn Nanometer her, denn erst ab dreizehn Nanometer gibt es wieder bestimmte Schichten, die wenigsten das Licht reflektieren können.
Das Ende der Fahnenstange ist damit noch nicht erreicht. Möglicherweise entscheidet auch nicht die Wellenlänge des Lichtes über das Ende des konventionellen Prozessorbaus, sondern die Größe der Elektronen: Irgendwann sind sie zu groß. Heybrock:
Da ist natürlich die LED, die jedermann inzwischen kennt. Weißlicht-LEDs mit einem Wirkungsgrad von 70 Prozent können viele Anwendungen in der Beleuchtung ablösen, oder dass man sich vorstellt, dass ein effizienter Plasmabrenner irgendwo im Keller eines Hauses ein ganzes Haus versorgen kann mit Licht, der Rest ist dann nur noch Lichtverteilung, so wie ich heute Strom verteile, könnte ich Licht verteilen zu den Punkten, wo es leuchten soll.
Noch sind dies Visionen, allzu lange dauert es aber nicht mehr bis Forscher sie in die Tat umsetzen. Immerhin - sagt Eckhard Heybrock vom VDI-Technologiezentrum - steht die Lichttechnik unmittelbar vor einem gewaltigen Bedeutungswandel: Vergleichbar mit der Mikroelektronik, die heute so gut wie jeden Bereich des Lebens dominiert.