"In der Nanotechnologie gibt es immer Überraschungen"

Der Physiker David Tománek über den Einsatz von Supercomputern in der Nanoforschung, wegweisende Erkenntnisse aus theoretischen Modellrechnungen und die Möglichkeiten einer Nanotube-Elektronik.

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Von
  • Niels Boeing

Der Physiker David Tománek ist einer der führenden Forscher auf dem Gebiet der rechnerbasierten Nanotechnik und der theoretischen Untersuchung von Kohlenstoff-Nanotubes. Seit 20 Jahren Professor an der Michigan State University, leitet der gebürtige Prager, der an der FU Berlin promovierte, auch die mit dem Supercomputer "Earth Simulator" assoziierte Computational Nanotechnology Group in Tokio. Technology Review sprach mit Tománek über den Einsatz von Supercomputern in der Nanoforschung, wegweisende Erkenntnisse aus theoretischen Modellrechnungen und die Möglichkeiten einer Nanotube-Elektronik.

Technology Review: Sie arbeiten mit dem Earth Simulator von NEC, einem der stärksten Superrechner der Welt. Wofür braucht ein Nanoforscher den Earth Simulator?

David Tománek: Die Prozesse, die wir in der Nanoforschung untersuchen, sind so schnell, dass sie im Experiment nicht direkt beobachtet werden können. Die Strukturen sind so klein, dass man nicht genau weiß, was man eigentlich misst. Man muss eine wohldefinierte Struktur untersuchen, um überhaupt nachvollziehen zu können, was im Experiment geschieht. Hierzu benötigt man molekulardynamische Computersimulationen. Als Funktion der Zeit beobachte ich da, wie sich die einzelnen Atome und Ionen bewegen ...

TR: ...also die Atomkerne plus die Mehrzahl der Hüllelektronen.

Tománek: Normalerweise nimmt man an, dass sich die Elektronen alle im quantenmechanischen Grundzustand befinden. Wenn Elektronen im Kohlenstoff vom Grundzustand in einen angeregten Zustand gebracht werden, zum Beispiel durch Lichteinstrahlung, wird Kohlenstoff zu einem anderen, vielleicht plastischen Material. Wie lange diese Anregung anhält, weiß man im allgemeinen nicht – das müssen die Rechnungen ergeben. Da Elektronen tausendmal leichter sind als Ionen, sind sie auch tausendmal schneller. Sehr oft befinden sich die Elektronen im Grundzustand und müssen nicht explizit betrachtet werden. Für die entsprechenden Molekulardynamik-Rechnungen, wo nur die langsameren Ionen betrachtet werden müssen, brauchen wir vielleicht nur zehn Stunden CPU-Zeit am Superrrechner. Wenn Elektronen duch Photonen angeregt werden, muss ihre Bewegung explizit bestimmt werden, was dann 10.000 Stunden CPU-Zeit beansprucht. Für diese Rechnungen setzen wir einen Supercomputer wie den Earth Simulator ein.

TR: Könnte man komplette Nanodevices aus mehreren Molekülen am Computer entwerfen?

Tománek: Vor Kurzem haben wir die volle quantenmechanische Rechnung für die Elektronenleitung zwischen zwei Metallelektroden berechnet, die durch eine Kohlenstoff-Nanotube verbunden sind. Obwohl dies ein sehr einfaches Device ist – praktisch nur ein Widerstand – hängt die quantisierte Leitfähgkeit wesentlich auch von der elektronischen Struktur in den Kontaktregionen ab. In der Nanotechnologie muss man sich eben noch mal am Kopf kratzen und fragen, was heißt Widerstand, was heißt eigentlich Metall, was ist ein Halbleiter? In der Funktion von noch so einfachen Schaltungen spielt die Quantenmechanik eine wesentliche Rolle.

TR: Größere Devices zu berechnen, ist aber noch Zukunftsmusik?

Tománek: Je einfacher das Modell ist, das man einer Computersimulation zugrunde legt, und je mehr Parameter man zulässt, umso komplexer können die Strukturen sein, die man beschreibt. Aber dann kann man sich der Resultate nicht mehr sicher sein. Eine Computersimulation wird das Experiment nie ersetzen können, das glaube ich nicht. Aber wir können mit Computersimulationen helfen, ein Experiment zu interpretieren, oder auch ein Experiment vorzuschlagen. Experiment und Theorie funktionieren am besten in Synergie.

TR: Lassen sich denn die am Computer berechneten Modelle in Experimente umsetzen?

Tománek: Ja. Ein Beispiel dafür ist die Wärmeleitfähigkeit von Kohlenstoff-Nanotubes. Ein Experiment von Alex Zettl hatte in den neunziger Jahren für ein Geflecht aus Kohlenstoff-Nanotubes eine furchtbar schlechte thermische Leitfähigkeit festgestellt. Das konnten wir nicht begreifen, weil wir erwarteten, dass Nanotubes sehr gute Wärmeleiter sein sollten. Wir haben den von uns vermuteten hohen Wert dann mit Hilfe einer Computersimulation theoretisch vorausgesagt. Unsere Rechnung ergab, dass Nanotubes die besten Wärmeleiter sein sollten, noch besser als Diamant, was sich in späteren Messungen als korrekt herausstellte. Ebenso haben unsere Rechnungen ergeben, dass das elastische Modul der Nanotubes viel höher liegen sollte als das der härtesten Metalle. Als wir unser Paper bei Nature einreichten, wurde das Manuskript von den Referees verworfen. Zwei Jahre später veröffentlichte Nature Ergebnisse, die unsere Voraussagen experimentell verifizierten.

In der Nanotechnologie gibt es immer Überraschungen. Unsere Berechnungen von elektronischen Anregungen zeigen zum Beispiel – und das ist vielleicht der interessanteste Aspekt unserer derzeitigen Arbeit –, dass man Licht zum Reinigen von Nanotubes verwenden kann. Man braucht also keine Lösungsmittel, deshalb gibt es später auch keine Nebenprodukte und Rückstände. Wir nennen das die „grüne Nanotechnologie“.

TR: Sie forschen vor allem an Nanotubes. Die wurden 1991 entdeckt und gelten seitdem als künftiges Wundermaterial der Nanotechnik. Wie weit ist man mit praktischen Anwendungen gekommen? Gibt es bereits welche in Alltagsprodukten?

Tománek: Der Status Quo bei Nanotubes ist, dass sie bereits in großen Mengen als Zusatz zu anderen Materialien verwendet werden. Zum Beispiel in Benzinleitungen in Autos, die mit Kunststoff ausgekleidet sind, um Korrosion zu verhindern. Damit sich keine Funken bilden können, macht man das Plastik elektrisch leitfähig, indem Nanotubes dem Kunststoff beigemischt werden.

Oder nehmen Sie Lithium-Ionen-Akkus, die als Grundmaterialien Lithium-Salz und Graphit enthalten. All die hochwertigen Lithium-Ionen-Akkus heutzutage enthalten Kohlenstoff-Nanotubes im Graphitmaterial. Der Grund ist: Mischt man in die Graphitelektrode fünf Prozent Nanotubes, verlängert das die Lebensdauer des Akkus. Die lassen sich dann ohne Kapazitätsverringerung häufiger wiederaufladen. In den Akkus der meisten Handys und Notebooks sind heute bereits Nanotubes drin. In Japan hat man bisher mehrere hundert Tonnen Nanotubes hergestellt.

Auch die Energieausbeute wird verbessert, weil die Diffusion der Ionen durch den Nanotube-Zusatz erleichtert wird. Das könnte auch in Blitzlichtern von Kameras von Bedeutung sein, die sich dann schneller aufladen. In hochwertigen Lautsprechern verbessert man durch Beimengung von Nanotubes in der Membran deren Elastizität und dadurch die präzise akustische Wiedergabe.

TR: Der erste Prototyp eines Nanotube-Transistors wurde ja bereits 1998 vorgestellt. Wann kommt denn die Nanotube-Elektronik, die seitdem im Gespräch ist?

Tománek: Vor den Transistoren werden wir Sensoren haben, die mit Nanotubes arbeiten, und zwar schon recht bald. Im Prototyp, an dem wir arbeiten, spielen die Nanotubes die Rolle von Quantenleitern oder -widerständen, die zwei Metallkontakte verbinden. Unsere Kollegen aus der molekularen Biologie funktionalisieren die Nanotube mit spezifischen Antikörpern. Eine einzige Antikörper-Antigen Reaktion verändert die Feldverteilung in der halbleitenden Nanotube und macht sie zu einem Feldeffekt-Transistor. Elektronisch wird die Änderung der Feldeffekttransitor-Charakteristik erfasst, um beispielsweise E.coli-Bakterien effizient und selektiv nachweisen zu können. Wenn alles gut läuft, könnten diese Sensoren innerhalb der nächsten zwei Jahre auf dem Markt sein.




Journal of Physics: Condensed Matter 17 PDF

Eine Linksammlung zu Animationen von Modellrechnungen zu Nanotubes, Kollisionen von Nanopartikeln oder Nanosystemen findet sich auf der Seite "Cluster Science Collaboration" von Charles Henrich und David Tománek unter "Recent results". (nbo)