Zukunftstechnologien

Die Nano-Visionäre träumten von Mini-Robotern und winzigen U-Booten, die durch unsere Adern schwimmen. Was wurde eigentlich aus den ehrgeizigen Ideen? Wir beschreiben den Stand der Forschung – und die Risiken einer Technologie, die unsere Welt verändern könnte.

Stellen Sie sich vor, Sie lassen sich einen neuen Esstisch am Computer entwerfen. Den Datensatz schicken Sie an eine Werkstatt, und dort wird der Tisch in einem einzigen Arbeitsgang zusammengesetzt – Atom für Atom, Molekül für Molekül. Ohne Fugen, Schrauben oder Dübel. Der Tisch könnte dabei so robust wie Stahl, aber leicht wie Kunststoff sein. Die Atome wären in einer Weise angeordnet, die an keinen bekannten Rohstoff erinnert.

Diese Vision wurde 1986 von dem damals 30-jährigen US-Ingenieur Eric Drexler in seinem Buch »Engines of Creation« (»Maschinen der Schöpfung«) beschrieben. Er träumte von einer industriellen Revolution, ja von einer völligen Neuerfindung der Technik: »Mit unseren gegenwärtigen Technologien sind wir immer noch gezwungen, mit Atomen in ungeordneten Haufen umzugehen«, schrieb er. »Die neue Technologie wird einzelne Atome und Moleküle kontrolliert und präzise handhaben.« Materie würde auf der Ebene der Atome und Moleküle chemisch umprogrammiert, sodass sie sich zu jedem beliebigen Objekt formen lassen könnte. Diese Technologie nannte Drexler Nanotechnik – und machte damit den Begriff populär.

Zwanzig Jahre später ist die Nanotechnik zu einem milliardenschweren Technologiegebiet geworden, das von Industrie, Forschung und Regierungen mit großem Einsatz vorangetrieben wird. Doch der Weg zu den Drexler’schen Nanomaschinen ist mühsamer, als ihr geistiger Schöpfer gedacht hatte. Deshalb bezweifeln viele die Umsetzbarkeit seiner Vision und geben sich mit – in seinen Augen – »bescheideneren« Anwendungen zufrieden. Zugleich ist eine Diskussion über mögliche Gesundheitsrisiken von Nanoteilchen entbrannt.

Top oder Flop: Wo steht die Nanotechnik heute wirklich? Und was wurde aus den ehrgeizigen Ideen der Nano-Visionäre? Werden eines Tages wirklich Mini-U-Boote durch unsere Adern schwimmen, um Krankheiten aufzuspüren? Auf den folgenden Seiten beschreiben wir den Stand der Forschung und die wichtigsten heute bereits möglichen Anwendungen.

Was sind Nano-Effekte?

Nach der derzeit international üblichen Definition umfasst Nanotechnik die Manipulation und Nutzung von materiellen Strukturen, die kleiner als 100 Nanometer (millionstel Millimeter) sind. Der entscheidende Unterschied zu anderen Technologien besteht in Effekten, die erst unterhalb dieser Größenschwelle wirksam werden. Zum einen ist bei Nanoteilchen, die nur aus einigen hundert bis tausend Atomen bestehen, das Verhältnis von Oberflächen- zu Innenatomen viel größer als etwa bei Mikrometer großen Teilchen. Eine Folge: Der Schmelzpunkt metallischer Nanopulver liegt einige hundert Grad niedriger als bei herkömmlichen Pulvern. Weil die Gesamtoberfläche einer Menge von Nanopartikeln viel größer ist, sind sie hocheffiziente Katalysatoren und können, etwa in Sonnencremes, mehr UV-Licht absorbieren. Zum anderen lassen sich im Nanobereich quantenphysikalische Wirkungen nutzen. Die bekannteste ist der »Tunnel-Effekt«, bei dem Elektronen mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit Barrieren wie etwa das Vakuum zwischen einer Metalloberfläche und der Spitze eines Rastertunnelmikroskops überwinden können. Mit einem solchen Mikroskop lassen sich einzelne Atome nicht nur sichtbar machen, sondern auch verschieben. IBM-Forschern gelang es 1989, zu Demonstrationszwecken das Firmenlogo aus 35 Xenon-Atomen zusammenzusetzen. Andere quantenmechanische Effekte, die in den Schreibleseköpfen von Computerfestplatten genutzt werden, haben in den vergangenen zehn Jahren eine drastische Steigerung der Speicherkapazität ermöglicht.

Neue Werkstoffe dank Nano

Seit Beginn der 1990er Jahre haben vor allem die Chemiker große Fortschritte bei der Entwicklung neuartiger Materialien gemacht. Dabei bauen sie Nanoteilchen – die meist noch Hunderte bis Tausende von Atomen enthalten – in Werkstoffe ein. Das ist zwar von einer Umprogrammierung der Materie, wie sie sich die Nanovisionäre vorstellten, weit entfernt, hat aber zu handfes-ten Produkten geführt, die zum Teil bereits auf dem Markt sind. So werden zum Beispiel Nanoteilchen auf chemischem Wege in Beschichtungen verteilt, meist mithilfe des in den 1930er Jahren erfundenen Sol-Gel-Prozesses. Je nachdem, welche zusätzlichen Moleküle an den Teilchen haften, erhält die Schicht neue Eigenschaften: Sie kann kratzfest, wasserabweisend oder nichthaftend werden. Damit lassen sich die Oberflächen von so unterschiedlichen Objekten wie Hausfassaden, Autokarosserien, Druckwalzen oder Kloschüsseln veredeln. Sie werden robuster oder können mit viel geringerem Aufwand gereinigt werden.

Eine besonders interessante Anwendung von Titandioxid-Nanoteilchen hat der Chemiker Michael Grätzel entdeckt. Er entwickelte ein Verfahren, mit dem sich durch Anlagerung von Farbstoffmolekülen an den Teilchen extrem dünne Solarzellen herstellen lassen. Die US-Firma Konarka Technologies hat inzwischen mit der Produktion
erster Nanosolarzellen begonnen.

Nanotubes: stärker als Stahl

Besonders angetan haben es den Nano-Ingenieuren die so genannten Nanotubes. Das sind winzige Röhrenmoleküle aus Kohlenstoff, in deren Hülle die Atome in Sechsecken angeordnet sind. Dieser Struktur verdanken sie ihre beeindruckenden Eigenschaften: Sie sind zugfester als Stahl, sie leiten Wärme besser als alle bekannten Stoffe und Strom besser als Kupfer, sie können sowohl elektrisch leitend als auch halbleitend sein (interessant für neue Computerchips), und sie eignen sich als Lichtquelle für Flachbildschirme. Als Veredelungszusatz für Hochleistungskunststoffe verleihen sie etwa Tennisschlägerrahmen der Firma Völkl mehr Festigkeit. In der Autoindustrie machen sie in geringer Beimischung Plastikbenzinleitungen elektrisch leitend und verhindern so eine zufällige Funkenbildung. Karosserieteile aus Nanotubehaltigem Kunststoff lassen sich mit elektrostatisch aufgeladenen Farbtröpfchen gleichmäßiger und sparsamer lackieren.

Forscher der Universität Texas in Dallas haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich die Röhrchen zu einer transparenten, ultraleichten Folie verbinden lassen. Schickt man Strom hindurch, beginnt sie mit polarisiertem Licht zu leuchten – so ist sie als flexibles Display oder Lichtquelle zu verwenden. »Sie könnten sich sogar als künstliche Muskeln einsetzen lassen«, sagt der Chemiker Ray Baughman, der die Entwicklung der Folie leitet. Eine Spannungsänderung von wenigen Volt bewirkt nämlich, dass Nanotubes sich ausdehnen oder zusammenziehen.

Nano-Waffen gegen Krebs

Nanomediziner arbeiten an der Entwicklung von Heilmethoden gegen Krebs, die eines Tages Chemotherapien ersetzen könnten. Dabei setzen sie auf Nanoteilchen, die mit speziellen Molekülen ummantelt sind. Die werden in die Blutbahn gegeben und docken dann ausschließlich an den Tumorzellen an, indem sie sich mit Rezeptoren an der Zelloberfläche verbinden. Die Kunst ist nun, für bekannte Rezeptoren verschiedener Krebsarten die passenden Moleküle zu finden, sodass die Nanoteilchen sich nicht versehentlich an gesundem Gewebe anlagern. Haben die Teilchen ihr Ziel erreicht, wandern sie durch die Membran ins Innere der Zelle, wo sie ihre heilende Wirkung entfalten. Im Falle so genannter Medikamentenfähren bestehen die Teilchen aus einer Hülle aus Fettmolekülen, in deren Innerem der eigentliche Wirkstoff ist. Platzt dann die Hülle auf, kann sich der Wirkstoff im Zellinneren ausbreiten. Diese Medikamentenfähren befinden sich derzeit aber noch im Forschungsstadium.

Schon bald zugelassen werden könnte ein anderes Verfahren, das von der Berliner Firma Magforce entwickelt wurde. Hier bestehen die Teilchen aus Eisenoxid. Sind sie zu Hunderttausenden in die Tumorzelle transportiert worden, können sie durch ein von außen angelegtes Wechselmagnetfeld zum Schwingen gebracht werden. Dadurch heizen sie die Tumorzellen bis auf 77 Grad auf. Ergebnis: Die Zelle stirbt ab. Diese Methode lässt sich auch in Organen anwenden, die bisher für Therapien schwer oder gar nicht zugänglich waren. »Im Jahre 2015 werden alle Krebsarten mit Nanopartikeln behandelt werden«, glaubt Mauro Ferrari vom amerikanischen National Cancer Institute.

Computerchips aus DNS-Nano

Als Hoffnungsträger der Nanotechnologie gilt das Erbgutmolekül DNA. Es ermöglicht nämlich eine Art molekulares Lego, das sich mittels chemischer Selbstorganisation selbstständig zusammenfügt. DNA besteht aus zwei verdrillten Strängen, die über Paare von je zwei Molekülen zusammengehalten werden. Dabei kommen zwei Paare vor: Zum einen verbinden sich die Basen Adenin (A) und Thymin (T) miteinander, zum anderen Guanin (G) und Cytosin (C). Die Abfolge dieser Basenpaare kodiert in allen Zellen die genetische Information.

In den 1980er Jahren entdeckte Nadrian Seeman, Chemiker an der New York University, dass sich die Abfolge der Basenpaare auch ganz anders nutzen lässt. Hat man etwa einen einzelnen Strang, der die Basen ACTCA enthält, kann sich an dieser Stelle ein anderer Strang anlagern, der das Gegenstück TGAGT enthält. Der Rest der Stränge baumelt weiterhin frei herum und könnte mit anderen passenden Strängen verbunden werden. So gelang es, mehrere DNA-Stücke mit genau durchdachten Basenfolgen zu ausgedehnten Gittern oder auch zu einzelnen Objekten wie einem Würfel oder einem Tetraeder zu verbinden. Kürzlich entwickelte Seeman gemeinsam mit einem Studenten sogar einen Nanokran aus DNA, der sich um 180 Grad drehen lässt.

Das DNA-Lego könnte auch eine präzise Montage molekularer Schaltkreise und damit neue, sehr kleine Computerchips ermöglichen. Die einzelnen Bauelemente würden dann einfach mit geeigneten DNA-Strängen versehen. Indem die sich miteinander verbinden, rasten die Bauteile alle in kürzester Zeit an der richtigen Stelle ein.

Wann kommen die ersten Nanomaschinen?

Einige Forschungsgruppen wie die des Physikers Alex Zettl von der Universität Berkeley arbeiten an den ersten Nanomaschinen. Zettl nennt seine Prototypen »NEMS«: »nano-elektromechanische Systeme«. Bereits 2003 baute er mit seinen Mitarbeitern einen »Nanorotor«: Darin beginnt sich ein Silizium-Plättchen auf einer Achse zwischen zwei Elektroden zu drehen, wenn eine Spannung angelegt wird; als Achse dient dabei eine Kohlenstoffnanoröhre.

Vor einigen Monaten hat Zettl einen Nanoresonator vorgestellt, der aus teleskopartig ineinander geschobenen Nanoröhren besteht. Je nachdem, wie weit sie auseinander gezogen werden, ändert sich die Frequenz, mit der die Anordnung schwingen kann. »Unser Nanoresonator könnte sich irgendwann in Geräten für die drahtlose Kommunikationstechnik einsetzen lassen«, sagt Zettl. Denn er ermögliche es, sehr hohe Frequenzen bei geringem Stromverbrauch zu erzeugen. Je höher die Frequenz eines Signals ist, desto mehr digitale Informationen lassen sich damit übertragen. Zettl ist zwar überzeugt, dass sich aus NEMS-Prototypen auch komplexere Nanomaschinen konstruieren lassen. Diese Maschinen aber Atom für Atom zusammenzubauen, wie es Drexler vorschwebt, sei »zurzeit nicht möglich«. Zumindest findet er Drexlers Vision »inspirierend«.

Bakterien als Nano-Rabriken

Ein ganz anderer Ansatz für molekulare Maschinen, der den Drexler-Maschinen schon recht nahe kommt, entwickelt sich derzeit auf dem noch jungen Gebiet der Synthetischen Biologie. Sie macht sich die Erkenntnis zunutze, dass Zellen im Grunde nichts anderes als eine Ansammlung von Nanomaschinen sind – und das seit Milliarden von Jahren. Bekanntestes Beispiel sind die nur 20 Nanometer großen Ribosomen, in denen aus dem Gencode die Bauanleitungen von Proteinen ausgelesen und diese montiert werden. Die Synthetischen Biologen verändern nun Genabschnitte von Bakterien, die daraufhin Proteine ausbilden, die in der Natur nicht vorgesehen sind. So wie Bastler im Elektronikfachhandel Widerstände, Transistoren oder Schalter kaufen, um aus ihnen mehr oder weniger nützliche Geräte zu bauen, entwerfen diese Ingenieure des Lebens damit »Bio-Bricks«. Diese biologischen Bausteine sollen Einzeller in Mikromaschinen verwandeln, die Informationen verarbeiten, Nanomaterialien herstellen oder medizinische Diagnosen vornehmen.

Den Prototyp eines zellinternen Schalters etwa haben Travis Bayer und Christina Smolke vom California Institute of Technology entwickelt. Er besteht aus RNS-Strängen, deren Form durch ein bestimmtes angelagertes Molekül so verändert wird, dass die Übersetzung eines Gens blockiert oder freigegeben wird. Damit könnten Zellen eines Tages die Entstehung von Krebs quasi von selbst unterbinden, sobald verdächtige krebstypische Moleküle auftauchen. Sie legen einfach den Schalter um, der jene Genaktivität unterbindet, die aus gesunden Zellen Krebszellen macht. Am Massachusetts Institute of Technology (MIT) haben Forscher im vergangenen Jahr das »MIT-Verzeichnis biologischer Standardteile« gestartet, in dem die genetischen Grundlagen von verschiedens-ten Bio-Bricks frei zugänglich abgelegt sind.

Gefahren der Nanotechnik

Wie jede neue Technik ist auch die Nanotechnik nicht ohne Risiken. Eine potenzielle Gefahr hatte Eric Drexler in seinem Buch »Engines of Creation« gleich mitgeliefert: Autonom operierende Nanomaschinen, die er »Assembler« nennt, könnten außer Kontrolle geraten. Anstatt die Objekte herzustellen, für die sie programmiert sind, könnten sie Lebewesen in ihre molekularen Bestandteile zerlegen, um daraus Kopien ihrer selbst herstellen – so lange, bis große Teile der irdischen Biosphäre in Myriaden Nanomaschinen umgewandelt worden wären. Dieses hypothetische Szenario nannte Drexler »Gray Goo«: einen »grauen Schleim« aus Nanomaschinen.

Die Assembler-Technologie ist bis heute allerdings nicht im Ansatz realisiert. Stattdessen ist in den letzten Jahren ein reales Risiko in den Blickpunkt gerückt: Nanoteilchen können, wenn sie in Organismen gelangen, toxisch wirken. In ersten Laborstudien mit Fischen, Krebsen und Ratten fanden Toxikologen heraus, dass manche Teilchenarten zu Entzündungen in Hirn-, Lungen- und Lebergewebe führen könnten. Vor allem die Kohlenstoffnanoröhren und ähnliche Kohlenstoffmoleküle, die so genannten Fullerene, zeigen diese Effekte. In Bakterienkulturen töteten sie einen großen Teil der Bakterien ab.

Toxikologen und Umweltschützer fordern deshalb, dass die Toxizität von künstlich hergestellten Nanoteilchen in einem Forschungsprogramm systematisch untersucht werden müsse, bevor es zu einer breiten Anwendung in Produkten kommt. Ihre Herstellung und Nutzung soll darüber hinaus gesetzlich reguliert werden, was allerdings vor allem in der Industrie umstritten ist. Einige Rüstungsforscher weisen außerdem darauf hin, dass Konzepte aus der Nanomedizin für die Herstellung neuer biologischer Waffen missbraucht werden könnten.