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Quelle: Nanoink
Amerikanische Forscher haben ein Gerät entwickelt, das mit insgesamt 55.000 mikroskopisch kleinen Stiften Muster in passende Materialien "schreiben" kann. Die Größe dieser Strukturen entspricht der von Viren.
Das Gerät baut auf einer Technik namens Dip-Pen-Nanolithographie (DPN) auf, die bereits seit 1999 von Chad Mirkin, Chemiker an der Northwester University, entwickelt wird. Dabei wird die Spitze eines Rasterkraftmikroskops in bestimmte Moleküle eingetaucht, ähnlich wie dies ein Füllfederhalter mit Tinte täte. Die Moleküle werden dann von der Spitze auf eine Oberfläche übertragen, wo sie Linien und Punkte in einer Größe von weniger als 100 Nanometern formen. Die Größe wird dabei von der Geschwindigkeit des Stiftes bestimmt.
Da das Gerät bei Raumtemperatur arbeitet, ist das Dip-Pen-Verfahren besonders im Umgang mit biologischem Material interessant, beispielsweise Proteinen und Teilen von DNA, die bei den sonst gebräuchlichen Hochenergieverfahren beschädigt würden. Die Muster, die so entstehen, lassen sich außerdem vorab "programmieren": So entstand gleichzeitig ein schnelles Prototyping-Werkzeug für neue Nanostrukturen.
Mirkin zufolge löst der Ansatz eines der größten Probleme in der Nanowissenschaft: "Wie baue ich "Finger", die klein genug sind, um etwas derart Mikroskopisches zu manipulieren, dass es sich nur durch ein Elektronenmikroskop betrachten lässt?" Mit dem Werkzeug lasse sich routinemäßig in solch geringen Dimensionen arbeiten. "Das wird alles verändern."
Problematisch ist allerdings, dass das bisherige DPN-Modell mit nur einem Stift sehr langsam arbeitet. Es wird bereits von der Firma NanoInk verkauft, die Mirkin mitgegründet hat. "Der Nachteil war anfangs, dass die Technik bei Substraten mit breiten Mustern etwa im Rahmen eines Quadratzentimeters sehr lange brauchte", sagt Milan Mrksich, Chemieprofessor an der University of Chicago.
Mirkin und sein Team lösten das Problem, in dem sie einfach eine große Ansammlung von Stiften mit Hilfe der konventionellen Fotolithographie herstellten. "Diese 55.000 Stifte beschleunigten die Mustererstellung sehr - um mehrere Zehnerpotenzen", erläutert Mirkin. Die Stifte könnten nun Hunderte Millionen von Mustern im Minutentakt schreiben.
In Wissenschaftsjournal Angewandte Chemie beschreibt Mirkin sein Verfahren näher. In Experimenten sei es gelungen, 55.000 gleichzeitig erstellte mikroskopische Fünfcentmünzen zu produzieren, deren Gesamtgröße kleiner als ein echtes Zehncentstück war. Die Punkte, die das auf den Münzen abgebildete Gesicht ausmachten, waren nur 80 Nanometer breit.
Mirkins Nanomaschine könnte auf vielen Anwendungsfeldern spannend werden. Sie ließe sich etwa zum Studium von Zellinteraktionen mit Viren nutzen. "Ich kann einen so kleinen Punkt erstellen, dass er als Klebstoff für ein einziges Virenpartikel dienen kann. Die Form des Punktes lässt sich sogar zu seiner Ausrichtung verwenden", sagt Mirkin. Viren in verschiedenen Ausrichtungen könnten dann einzelnen Zellen ausgesetzt werden, so dass sich Tausende ähnliche Experimente zur gleichen Zeit durchführen ließen, um statistisch relevante Ergebnisse zu bekommen.
Die Forscher könnten mit dem Gerät außerdem die Größe und Verbreitung von Proteinen auf einer Zelloberfläche prüfen, die für das "Andocken" verantwortlich sind. So ließe sich ermitteln, wie Krebszellen sich von einem Tumor ablösen und sich im Körper verteilen - eine Möglichkeit zur Erforschung neuer Krebstherapieformen. Stammzellforscher könnten ebenfalls ein Interesse an der Technik haben, meint Mrksich. Überprüfbar werde etwa, wie Zellanlagerungen die Spezialisierung von Stammzellen beeinflussten.
Auch außerhalb des Labors ergeben sich interessante Anwendungen. Pharma-Unternehmen könnten Medikamente mit dem Nano-Werkzeug genau kennzeichnen, um nachgemachte Pillen zu entdecken.
In der Elektronik gibt es ebenfalls Anwendungsmöglichkeiten. Zuvor war die Technik mit nur einem Stift hierfür zu langsam gewesen. Calvin Quate, Professor für Elektroingenieurwesen an der Stanford University, hält die 55.000 Stifte für einen Ansatz, bei dem viele seiner Kollegen ihre Meinung zu dem Dip-Pen-Verfahren ändern würden. Doch hier existiere bereits viel Konkurrenz: "Die optische Lithographie hat gigantische Fortschritte gemacht."
So müssten selbst die 55.000 Stifte noch hochauflösender und schneller werden, um gegenüber anderen Verfahren wettbewerbsfähig zu sein. Fazit: Zumindest aktuell dürfte Mirkins Methode vor allem zur Zellforschung verwendet werden.
Übersetzung: Ben Schwan.
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