"NEMS für MEMS"

Am Beginn des Nanomaschinenbaus: Der US-Physiker Alex Zettl über Anwendungsmöglichkeiten nano-elektromechanischer Systeme, die Schwierigkeiten ihrer Konstruktion und die Visionen von Eric Drexler.

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  • Niels Boeing

Der Maschinenbau kommt allmählich im Nanokosmos an. Einer der führenden Forscher auf diesem Gebiet ist der US-Physiker Alex Zettl von der Universität Berkeley. Er hat mit seiner Gruppe in den vergangenen vier Jahren mehrere Nanomaschinenteile konstruiert: einen Nanorotor, ein Nanotransportband, eine Nanohydraulik und einen Nanoresonator aus einem Nanoröhren-Teleskop (siehe Bilderstrecke). Technology Review sprach mit Zettl über mögliche Anwendungsmöglichkeiten solcher Prototypen, die Schwierigkeiten in der Konstruktion und die Visionen von Eric Drexler, der vor 20 Jahren eine große Zukunft für Nanomaschinen prophezeite.

Technology Review: Herr Zettl, Sie haben in den vergangenen Jahren mit Ihrer Gruppe wegweisende Nanomaschinenteile entwickelt: so genannte NEMS, also nano-elektromechanische System. Noch sind das Prototypen. Wo sehen Sie künftige Anwendungsmöglichkeiten für solche NEMS?

Alex Zettl: Es ist schwer vorherzusagen, welche zuerst kommerziell erfolgreich sein werden. Diejenigen, die wissenschaftlich am interessantesten sind, sind hinsichtlich ihrer kommerziellen Verwertbarkeit besonders unvorteilhaft. Anwendungen, die Biologie und Nanotechnik verbinden, werden auf jeden Fall eine enorme Wirkung haben.

Unser Nanoresonator, der die Erzeugung ziemlich hoher Frequenzen bei geringen Stromverbrauch ermöglicht, hat unmittelbare Bedeutung für die drahtlose Kommunikationstechnik. Was die Nanomotoren angeht, kann ich im Moment nur Vermutungen anstellen. Anwendungen könnten nanomechanische Router sein, nanofluidische Pumpen für Biochips oder auch Sensoren. Aber das ist ganz schwierig, hier vorherzusagen, wie viele Jahre es noch bis dahin sind.

TR: Wie bauen Sie solche NEMS eigentlich? Und wie kontrollieren Sie die Bauteile während der Konstruktion?

Zettl: Wie das mit den meisten neuen Technologien ist, bauen wir die noch einzeln, mit aufwändigen Methoden wie der Elektronenstrahllithographie. Dann untersuchen wir sie mit Rasterelektronen- und Kraftmikroskopen. Das ist alles ganz hübsch, um die grundlegenden Wechselwirkungen in den Systemen zu verstehen. Für eine Massenproduktion ist das aber noch kein guter Ansatz.

Parallel dazu entwickeln wir verschiedene chemische Verfahren, um die Bauteile zu funktionalisieren. Dann könnten sie sich mittels Self-Assembly selbst zusammenfügen. Außerdem setzen wir noch andere Lithographieverfahren ein, die uns die Herstellung von sehr kleinen Strukturgrößen ermöglichen.

Wir wollen natürlich viele NEMS parallel herstellen, und zwar mit nur wenigen Parametern, die man dabei kontrollieren muss. Es hilft ja nicht, tausend verschiedene Nanoresonatoren herzustellen, die alle eine andere Frequenz haben, wenn man nur eine Frequenz braucht. Bei diesem Ziel muss man entweder die Resonatoren alle einzeln anfertigen und dabei die Parameter sehr sorgfältig wählen, oder man ist in der Lage, sie auf einen Schlag herzustellen und dann zu tunen.

Deshalb ist es wichtig, dass wir unsere Nanoresonatoren tunen können. Wenn das Tunen nur einige Sekunden dauert, hilft das ungemein. Das ist ein Riesenschritt hin zu einer Anwendung im industriellen Maßstab. Die haben wir immer im Blick.

TR: Wie sind Sie eigentlich dazu gekommen, sich mit NEMS zu beschäftigen?

Zettl: Ich habe mich seit den früheren Achtzigern für Materialien interessiert, die kleine Strukturgrößen haben. Dabei bin ich aber zwischen verschiedenen Materialien hin und her gesprungen. Das C60-Molekül...

TR: ...der Nanofußball aus 60 Kohlenstoffatomen, der auch „Buckyball“ genannt wird...

Zettl: ...war wie ein Katalysator für neue Möglichkeiten. Dann kamen die Kohlenstoff-Nanotubes und haben das Feld der NEMS eröffnet. Mein Ausgangspunkt waren immer Materialien.

TR: Lassen sich die Prototypen, die sie entwickelt haben, zu größeren Systemen integrieren?

Zettl: Das ist eins der entscheidenden Themen. NEMS werden neue MEMS, also mikro-elektromechanische Systeme, ermöglichen, denn deren Teile haben immer noch das Problem der Reibung. Man muss aber nicht alles so klein wie möglich machen. In Zukunft könnte es integrierte Systeme aus NEMS und MEMS geben. Das ist ja in der Biologie genauso: Zellen sind deutlich größer als Nanoobjekte.

TR: Glauben Sie, dass es irgendwann komplexere Nanomaschinen aus NEMS geben wird?

Zettl: Absolut. Wir arbeiten bereits mit Herstellern zusammen, die Sensoren aus MEMS bauen, aber als Kernstück NEMS verwenden. MEMS alleine benötigen zu viel Strom.

TR: In einem Experiment haben Sie eine Art hydraulische Hebevorrichtung im Nanoformat gebaut. Dabei drückt ein Tröpfchen aus flüssigem Metall, das zwischen zwei Nanoröhrene zum Anschwellen gebracht wird, die obere nach oben. Wie groß ist die Kraft, die mit dieser Nanohydraulik über den Röhrenhebel ausgeübt werden kann?

Zettl: Absolut gesehen ist die Kraft natürlich sehr klein, weil der Materialtropfen sehr klein ist. Wenn man das aber auf die Fläche bezieht, ist das schon eine erstaunliche Kraft. Es sind zwar nur einige hundert Nanonewton, aber der ausgeübte Druck ist groß. Lassen Sie mich das mit einer Betrachtung zur Leistungsdichte verdeutlichen: - Ein BMW-6-Zylinder-Motor hat eine Leistungsdichte von 0,05 Gigawatt pro Kubikmeter. - Bei biologischen Motoren liegt der Wert genauso hoch. - Die Leistungsdichte unserer Festkörpermotoren ist aber 10 bis 100 Mal größer. Die Leute sagen oft, wofür sollen Nanomotoren gut sein? Aber wenn Sie das skalieren, sind die ziemlich leistungsfähig.

TR: Ihr Ansatz, Nanomaschinenteile zu konstruieren, unterscheidet sich ja deutlich von dem Konzept der Mechanosynthese, das 1992 von Eric Drexler vorgestellt wurde und das Zukunftsbild von der Nanotechnik doch mächtig beeinflusst hat. Bei der Mechanosynthese sollen Nanomaschinen Atom für Atom gebaut werden. Bislang ist die Drexler’sche Gemeinde aber nicht über Simulationsrechnungen hinausgekommen. Was halten Sie von der Mechanosynthese?

Zettl: Es gibt viele kreative Köpfe auf dem Gebiet, die faszinierende Ideen haben. Ihr Animationsvideo der Nanofabrik...

TR: ...das im vergangenen Jahr ins Netz gestellt wurde...

Zettl: ...ist schon inspirierend. Aber am Ende brauchen wir Dinge, die funktionieren. Die Verfahren, die wir heute nutzen, sind zwar nicht perfekt, aber fehlertolerant. Seien wir ehrlich: Maschinen Atom für Atom zu bauen, ist zurzeit nicht möglich.

In 20 Jahren könnte es Technologien geben, die Sie und ich nicht hätten vorhersehen können. Als der Transistor erfunden wurde, gab es kaum Anwendungen. John Bardeen, sein Erfinder, vermutete damals, dass der Transistor vielleicht für Hörgeräte genutzt werden könnte. Mit dem Laser war es genauso. Heute wird er in etlichen Alltagsanwendungen wie Strichcode-Lesegeräten oder CD-Playern.

An so einem Punkt sind wir im Moment mit der Nanotechnik. Viele Ansätze werden keinen Erfolg haben. Aber einige setzen sich durch. Nanotechnik ist eine neue Art, Wissenschaft und Technik zusammenarbeiten zu lassen. Biologie, Chemie und Materialwissenschaft werden immer wichtiger für eine symbiotische Kultur. Wir sind da einer sehr soliden Sache auf der Spur.




"Nanoelectromechanical relaxation oscillator"
"Nanoscale Mass Conveyor"
"Synthetic Rotational Nanomotor"

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