Das Schlüsselelement der häufig "Nanodrucker" genannten Geräte ist ein für mikroskopische Verhältnisse großes Feld akkurat ausgerichteter Nanopyramiden, das man sich millionenfach vergrößert wie das Luftbild eines römischen Zeltlagers vorstellen kann. Jedem Zelt entspräche eine Tastspitze, und es gibt Zehntausende davon. Das Feld wird wie in einem Rasterkraftmikroskop von Piezoelementen bewegt, sagt Chad Mirkin, Professor an der Northwestern und für seine nanotechnologischen Entwicklungen mit zahlreichen Preisen bedacht,
"sodass ich das Spitzenfeld oder die Unterlage Nanometer um Nanometer aneinander vorbei ziehen kann. Jeder Pyramide ist eine Fläche von 0,1 mal 0,1 Millimeter zugeordnet. Und wir haben eine Software geschrieben, die Positionsabweichungen jeder Einzelpyramide korrigiert und die Einzelfelder zum gewünschten Ganzen zusammenfügt."
In der Funktion als Drucker geben die Nanopyramiden, individuell angesteuert, Substanzen an die Unterlage ab, die sie zuvor zum Beispiel durch Eintauchen in ein Feld von Tintenmulden aufgenommen hatten,
"So, dass man verschiedene Molekülsorten übertragen oder Komponenten größerer Strukturen machen kann, mit Nanometerauflösung. Wir machen das mit kleinen Heizelementen an der Basis jeder Pyramide, die bei Erwärmung hervor treten, mit der Unterlage Kontakt aufnehmen und sich bei Abkühlung wieder zurück ziehen, und das sehr schnell, im Bruchteil einer Sekunde."
In der Lithografiefunktion sind die Pyramiden Quellen hauchfeiner Lichtstrahlen, mit Durchmessern weit unter der Beugungsgrenze. Das geht, wenn man den sogenannten optischen Nahfeldeffekt ausnutzt, mit der Lichtquelle also ganz dicht an die Unterlage geht. Und so werden die Lichtquellen gemacht, erklärt Chad Mirkin:
"Man nimmt den gleichen Typ von Pyramidenfeld aus elastomerischem Material und bedeckt die Pyramiden mit einer undurchsichtigen Goldschicht. Dann macht man an den Spitzen kleine nanoskalige Löcher als Blende. Dann beleuchten wir die Rückseiten der Pyramiden und machen so aus einem Lichtstrahl Zehntausende kleine. Richtig clever aber ist dann der Einsatz eines digitalen Mikrospiegels, wie er in Projektoren steckt, damit kann man jede Pyramide unabhängig von den anderen einzeln ansteuern. Und so haben wir eine Fläche mit lichtempfindlichem Lack strukturieren können, wie bei der Waferbelichtung in der Chipindustrie. Und wir können so große Flächen belichten, dass man sie mit dem bloßen Auge sieht."
Man könne jetzt also chipgroße Flächen mit Nanometer feinen Strukturen überziehen, und das sei nicht das Ende der Entwicklung:
"Ganz klar, dass dieses Instrument ausgebaut wird und die Leute die Möglichkeit ausnutzen werden, beim Rapid Prototyping mehrere Längenskalen zu verwenden: Nanometer, Mikrometer, Millimeter, Zentimeter."
Und das, sagt Chad Mirkin, habe man bereits realisieren können:
"Wir haben gezeigt, dass wir mit diesen Instrumenten akustische Wellenleiter, elektronische Schaltungen, DNA-Arrays, Proteinarrays und alle möglichen anderen Strukturen machen konnten."
Die Riesenstückzahlen, die die Chipindustrie mit ihren massiv parallelen Methoden erreicht, wird man mit den Nanopyramidenfeldern nicht machen können, wohl aber schnell Prototypen herstellen, selbst hoch komplexe physikalische Arrangements auf einem Chip oder ganze Apparaturen zur Erkundung neuer Effekte.
"sodass ich das Spitzenfeld oder die Unterlage Nanometer um Nanometer aneinander vorbei ziehen kann. Jeder Pyramide ist eine Fläche von 0,1 mal 0,1 Millimeter zugeordnet. Und wir haben eine Software geschrieben, die Positionsabweichungen jeder Einzelpyramide korrigiert und die Einzelfelder zum gewünschten Ganzen zusammenfügt."
In der Funktion als Drucker geben die Nanopyramiden, individuell angesteuert, Substanzen an die Unterlage ab, die sie zuvor zum Beispiel durch Eintauchen in ein Feld von Tintenmulden aufgenommen hatten,
"So, dass man verschiedene Molekülsorten übertragen oder Komponenten größerer Strukturen machen kann, mit Nanometerauflösung. Wir machen das mit kleinen Heizelementen an der Basis jeder Pyramide, die bei Erwärmung hervor treten, mit der Unterlage Kontakt aufnehmen und sich bei Abkühlung wieder zurück ziehen, und das sehr schnell, im Bruchteil einer Sekunde."
In der Lithografiefunktion sind die Pyramiden Quellen hauchfeiner Lichtstrahlen, mit Durchmessern weit unter der Beugungsgrenze. Das geht, wenn man den sogenannten optischen Nahfeldeffekt ausnutzt, mit der Lichtquelle also ganz dicht an die Unterlage geht. Und so werden die Lichtquellen gemacht, erklärt Chad Mirkin:
"Man nimmt den gleichen Typ von Pyramidenfeld aus elastomerischem Material und bedeckt die Pyramiden mit einer undurchsichtigen Goldschicht. Dann macht man an den Spitzen kleine nanoskalige Löcher als Blende. Dann beleuchten wir die Rückseiten der Pyramiden und machen so aus einem Lichtstrahl Zehntausende kleine. Richtig clever aber ist dann der Einsatz eines digitalen Mikrospiegels, wie er in Projektoren steckt, damit kann man jede Pyramide unabhängig von den anderen einzeln ansteuern. Und so haben wir eine Fläche mit lichtempfindlichem Lack strukturieren können, wie bei der Waferbelichtung in der Chipindustrie. Und wir können so große Flächen belichten, dass man sie mit dem bloßen Auge sieht."
Man könne jetzt also chipgroße Flächen mit Nanometer feinen Strukturen überziehen, und das sei nicht das Ende der Entwicklung:
"Ganz klar, dass dieses Instrument ausgebaut wird und die Leute die Möglichkeit ausnutzen werden, beim Rapid Prototyping mehrere Längenskalen zu verwenden: Nanometer, Mikrometer, Millimeter, Zentimeter."
Und das, sagt Chad Mirkin, habe man bereits realisieren können:
"Wir haben gezeigt, dass wir mit diesen Instrumenten akustische Wellenleiter, elektronische Schaltungen, DNA-Arrays, Proteinarrays und alle möglichen anderen Strukturen machen konnten."
Die Riesenstückzahlen, die die Chipindustrie mit ihren massiv parallelen Methoden erreicht, wird man mit den Nanopyramidenfeldern nicht machen können, wohl aber schnell Prototypen herstellen, selbst hoch komplexe physikalische Arrangements auf einem Chip oder ganze Apparaturen zur Erkundung neuer Effekte.