Von Andrea Vogel Kaum einer denkt an Natur, wenn er "Polymer" hört. Polymere, das sind übelster Kunststoff, deren einzige Verbindung zur Natur ihre biologische Abbaubarkeit sind. Ganz falsch, meint Professor Hans Wolfgang Spiess vom Mainzer Max-Planck-Institut für Polymerforschung:
Sie bestehen molekular aus langen Molekülen, die sich spontan zu Überstrukturen organisieren; Das kennt man auch aus der Biologie; Proteine, Eiweißmoleküle oder auch die Nukleinsäuren sind ganz ähnlich aufgebaut.
Das regt die Forscher natürlich zur Nachahmung an. Sie konnten zum Beispiel beobachten, dass die Natur ihre Polymere ungehemmt mit anderen Materialen kombiniert. Bevorzugt natürlich mit solchen, die ganz andere Eigenschaften haben. Eine prima Idee, findet Hans Wolfgang Spiess. Denn mit dieser Technik lassen sich zum Beispiel Nano-Elektrokabel herstellen. Klassisch entsteht zuerst ein Draht, der anschließend mit Isoliermaterial ummantelt wird. Die Polymerforscher wollen das ganz anders machen: Sie wollen, dass sich der Draht förmlich selbst bauen soll. Und Moleküle aus leitfähiger Keramik am einen Ende, dem isolierendem Polymer in der Mitte und einem Stück Teflon am anderen Ende sind das Baumaterial. Spiess:
Das lässt sich sehr genau steuern, das ist entscheidend natürlich, durch Zusammensetzung, Temperatur, Zusatz von Wasser zum Beispiel, so wie man chemische Reaktionen generell steuert; Neu hinzu kommt dann eben noch, dass während der Bildung neuer chemischer Substanzen die sich spontan auch noch organisieren.
Der Draht "wächst" von selbst, fast wie ein Kristall. Und wie ein Kristall je nachdem unter welchen Umständen er entstanden ist, so unterschiedlich sein kann wie Graphit und Diamant, so wachsen in den Labors der Polymerforscher unterschiedlichsten Formen von Leiterbahnen in Isoliermaterial: in Schichten, wie man sie für elektrische Maschinen braucht, als Miniatur-Kabelbäume oder sogar verschlungene und verzweigte Leiterbahnen in einem kleinen Würfel - eine Art gordischer Knoten der Nano-Welt. Obendrein sind diese komplizierten Leitungen auch noch in der Lage, sich selbst zu reparieren. Spiess:
Da sie sich selbst organisieren, kann man sie z.B. dadurch, dass man sie etwas erwärmt, wieder in den Zustand versetzen, ihre Organisation wieder neu zu bilden, und deswegen sind sie zur Selbstreparatur fähig.
So verschwinden dann "Unordnungen": Risse oder Kurzschlüsse etwa. Sehr hilfreich - denn mit Zange und Lötkolben wäre hier wohl kaum etwas zu machen. Kein kleines Problem bei der "Zucht" der Nano-Drähte war, die Ergebnisse zu beobachten und zu bewerten. Spiess:
Wichtig ist, dass diese Strukturen nicht so einfach sind wie normale Kristalle vom Kochsalz, die man natürlich gut untersuchen kann; Und unser eigener Beitrag ist tatsächlich, neue Methoden zu entwickeln, in dem Fall die magnetische Kernresonanz, die es gestattet, solche Strukturen quantitativ zu erfassen
Ganz ähnlich wie die Kernspin-Tomographie in der Medizin Strukturen des menschlichen Körpers erfasst. Nur mit dem Unterschied, dass es hier eben um winzige Nano-Dinge geht. Aber nicht nur die Beobachtung der winzigen Bauteile bereitet den Forschern Schwierigkeiten. Wenn sie Schaltungen bauen wollen, müssen sie sie obendrein bearbeiten können. Um zum Beispiel die Leitungen mit Sensoren oder anderen Bauteile zu verbinden. Das wird dann besonders kompliziert, wenn man nicht so genau weiß, wo die so selbstorganisiert gewachsenen Drähte eigentlich enden. Spiess:
Ein Konzept, was man da auch verfolgt, ist: Man lässt einen Draht sich bilden und stoppt das ganze mit einer Kappe. Man kontrolliert auch Anfang und Ende des Drahtes. Wenn man das kann, kann man dann zum Beispiel, wenn man ihn auf einen Kontakt legt, durch Lichtbestrahlung diese Kappe wieder gezielt entfernen. Und dann kann man kontaktieren.
Ist das Werkzeug-Problem erst mal gelöst, das heißt wird die Nano-Elektronik erschwinglich, warten Unmengen an Anwendungen. Zum Beispiel all die, die z.Zt. noch mit der "großen" Mikroelektronik arbeiten: Handys oder Computer etwa, oder die Medizintechnik. Zukunftsmusik ist eine ganz andere Polymer-Kombination: Die künstlicher Polymere mit biologischen Substanzen, DNA-Stücken zum Beispiel. Spiess:
Die Grundprinzipien sind wieder bekannt, also man kann jetzt Überstrukturen herstellen aus Polymeren und Lipiden und DNA-Stücken und sie in Zellen einschleusen, aber man kommt noch nicht durch alle Zellwände durch.
Sie bestehen molekular aus langen Molekülen, die sich spontan zu Überstrukturen organisieren; Das kennt man auch aus der Biologie; Proteine, Eiweißmoleküle oder auch die Nukleinsäuren sind ganz ähnlich aufgebaut.
Das regt die Forscher natürlich zur Nachahmung an. Sie konnten zum Beispiel beobachten, dass die Natur ihre Polymere ungehemmt mit anderen Materialen kombiniert. Bevorzugt natürlich mit solchen, die ganz andere Eigenschaften haben. Eine prima Idee, findet Hans Wolfgang Spiess. Denn mit dieser Technik lassen sich zum Beispiel Nano-Elektrokabel herstellen. Klassisch entsteht zuerst ein Draht, der anschließend mit Isoliermaterial ummantelt wird. Die Polymerforscher wollen das ganz anders machen: Sie wollen, dass sich der Draht förmlich selbst bauen soll. Und Moleküle aus leitfähiger Keramik am einen Ende, dem isolierendem Polymer in der Mitte und einem Stück Teflon am anderen Ende sind das Baumaterial. Spiess:
Das lässt sich sehr genau steuern, das ist entscheidend natürlich, durch Zusammensetzung, Temperatur, Zusatz von Wasser zum Beispiel, so wie man chemische Reaktionen generell steuert; Neu hinzu kommt dann eben noch, dass während der Bildung neuer chemischer Substanzen die sich spontan auch noch organisieren.
Der Draht "wächst" von selbst, fast wie ein Kristall. Und wie ein Kristall je nachdem unter welchen Umständen er entstanden ist, so unterschiedlich sein kann wie Graphit und Diamant, so wachsen in den Labors der Polymerforscher unterschiedlichsten Formen von Leiterbahnen in Isoliermaterial: in Schichten, wie man sie für elektrische Maschinen braucht, als Miniatur-Kabelbäume oder sogar verschlungene und verzweigte Leiterbahnen in einem kleinen Würfel - eine Art gordischer Knoten der Nano-Welt. Obendrein sind diese komplizierten Leitungen auch noch in der Lage, sich selbst zu reparieren. Spiess:
Da sie sich selbst organisieren, kann man sie z.B. dadurch, dass man sie etwas erwärmt, wieder in den Zustand versetzen, ihre Organisation wieder neu zu bilden, und deswegen sind sie zur Selbstreparatur fähig.
So verschwinden dann "Unordnungen": Risse oder Kurzschlüsse etwa. Sehr hilfreich - denn mit Zange und Lötkolben wäre hier wohl kaum etwas zu machen. Kein kleines Problem bei der "Zucht" der Nano-Drähte war, die Ergebnisse zu beobachten und zu bewerten. Spiess:
Wichtig ist, dass diese Strukturen nicht so einfach sind wie normale Kristalle vom Kochsalz, die man natürlich gut untersuchen kann; Und unser eigener Beitrag ist tatsächlich, neue Methoden zu entwickeln, in dem Fall die magnetische Kernresonanz, die es gestattet, solche Strukturen quantitativ zu erfassen
Ganz ähnlich wie die Kernspin-Tomographie in der Medizin Strukturen des menschlichen Körpers erfasst. Nur mit dem Unterschied, dass es hier eben um winzige Nano-Dinge geht. Aber nicht nur die Beobachtung der winzigen Bauteile bereitet den Forschern Schwierigkeiten. Wenn sie Schaltungen bauen wollen, müssen sie sie obendrein bearbeiten können. Um zum Beispiel die Leitungen mit Sensoren oder anderen Bauteile zu verbinden. Das wird dann besonders kompliziert, wenn man nicht so genau weiß, wo die so selbstorganisiert gewachsenen Drähte eigentlich enden. Spiess:
Ein Konzept, was man da auch verfolgt, ist: Man lässt einen Draht sich bilden und stoppt das ganze mit einer Kappe. Man kontrolliert auch Anfang und Ende des Drahtes. Wenn man das kann, kann man dann zum Beispiel, wenn man ihn auf einen Kontakt legt, durch Lichtbestrahlung diese Kappe wieder gezielt entfernen. Und dann kann man kontaktieren.
Ist das Werkzeug-Problem erst mal gelöst, das heißt wird die Nano-Elektronik erschwinglich, warten Unmengen an Anwendungen. Zum Beispiel all die, die z.Zt. noch mit der "großen" Mikroelektronik arbeiten: Handys oder Computer etwa, oder die Medizintechnik. Zukunftsmusik ist eine ganz andere Polymer-Kombination: Die künstlicher Polymere mit biologischen Substanzen, DNA-Stücken zum Beispiel. Spiess:
Die Grundprinzipien sind wieder bekannt, also man kann jetzt Überstrukturen herstellen aus Polymeren und Lipiden und DNA-Stücken und sie in Zellen einschleusen, aber man kommt noch nicht durch alle Zellwände durch.