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Winzig klein und doch ganz groß


Nanotechnik verhilft zu neuen Stoffen, Geräten und Verfahren

01.11.2009 (fjh)
"Schon die antiken Römer kannten solche Methoden", erklärt Prof. Dr. Stephan W. Koch. Dennoch ist sein Forschungsgebiet einer der zukunftsorientierten Bereiche der Wissenschaft.
Bereits seit fast 25 Jahren befasst sich Koch mit der Nanotechnologie. 1993 war der Marburger Physikprofessor aus den Vereinigten Staaten nach Deutschland zurückgekommen. Acht Jahre lang hatte er zuvor an der University of Arizona gelehrt. "Die Nanotechnologie war dort damals schon ein Thema", erinnert er sich.
Die neuen Methoden helfen, Werkstoffe mit neuartigen Eigenschaften gezielt herzustellen. Dabei bedient man sich zweier unterschiedlicher Ansätze, um die winzig kleinen Partikel im Nano-Bereich herzustellen. Ihre Größe erreicht die unvorstellbar winzigen Maße von nur 10 hoch -9 Millimeter.
Entweder stellen die Wissenschaftler solche Nanopartikel her, indem sie kleine Werkstoffe immer weiter und weiter verkleinern, bis sie die gewünschten winzigen Ausmaße erreicht haben. Oder aber sie fügen Atome und Moleküle als kleinste physikalische Strukturen so lange zueinander, bis die entstehenden Kristalle die gewünschte Größe haben.
Das Ganze funktioniert dann ungefähr so wie in einer normalen Küche: Die Atome oder Moleküle werden zusammen erhitzt, bis sie miteinander verschmelzen. Unter Hitze lässt man sie dann noch weiter wachsen, bis die vorbestimmte Größe erreicht ist. Dann schreckt man sie ab und lässt den neuen Stoff abhärten.
Für die Berechnung der gewünschten Eigenschaften und der entsprechenden Größe ist Koch zuständig. Er erforscht die theoretischen Grundlagen der Nanotechnologie.
"Am Wissenschaftlichen Zentrum für Materialwissenschaften der Philipps-Universität entwickeln wir seit 20 Jahren theoretische Modelle für eine gezielte Herstellung von Materialien", erklärt Koch. An diesem Zentrum arbeiten Physiker und Chemiker zusammen.
Ein wichtiger Erfolg ist die Herstellung neuartiger Halbleiter-Materialien. Verwendet werden sie zum Beispiel in winzigen Lasern, die eine vielfach höhere Leistung erreichen als herkömmliche Laser.
Eingesetzt wird die Nanotechnologie aber auch in vielen anderen Bereichen. "Schon heute ist sie aus dem Alltag nicht mehr wegzudenken", meint Koch.
Mit Hilfe von Nano-Strukturen können Oberflächen so glatt gestaltet werden, dass der sogenannte "Lotus-Effekt" eintritt: Aufgrund der Glätte der Oberfläche bleibt kein Staubkörnchen mehr daran haften.
Auch in der Medizin erhoffen sich die Nano-Forscher neue Materialien und damit auch neue Methoden. So versuchen Kochs Kollegen beispielsweise, Nano-Partikel in Krebszellen einzuschleusen, die dort dann – vielleicht auch nur unter radioaktiver Bestrahlung – giftige Substanzen absondern und die Krebszelle so abtöten.
Nano-Sensoren aus Diamant entwickeln Forscher am Fraunhofer-Institut für angewandte Festkörperphysik (IAF) in Freiburg. Das Ausgangsmaterial bezieht Prof. Dr. Christoph Nebel von japanischen Kollegen. Dieser extrem fein gemahlene Diamantstaub wird in Freiburg aufbereitet, um dann in der biologischen Forschung als Marker zu dienen.
Das Material hat von Natur aus die Eigenschaft, Cluster zu bilden. Hausfrauen würden sagen: "Es klumpt."
Deswegen werden die aus Japan angelieferten Nano-Partikel zunächst physikalisch aufbereitet. Anschließend werden sie an Biologen weitergegeben, die sie an die Erbsubstanz "DNA" anhängen.
"Der Werkstoff Diamant hat die besondere Eigenschaft, dass er leuchtet und seine Leuchtkraft auch über längere Zeit nicht verliert", erläutert Nebel. Gleichzeitig ist das Material aber auch nicht schädlich für den Organismus. Mit Hilfe der leuchtenden Partikel an der DNA-Doppelhelix können die Biologen die Bewegungen der Erbsubstanz im Körper dann über längere Zeit hinweg verfolgen.
Gerade in der Medizin sind winzig kleine Partikel und Geräte häufig von Vorteil. Die Nanotechnologie soll hier weiterhelfen. Gefahren befürchtet Koch dabei allerdings nicht. "Selbstverständlich muss man sich bei der Herstellung derart winziger Partikel vor einem Einatmen schützen", rät er. "In der Lunge könnten sie sonst schon ernstliche Schäden anrichten."
Aber diese Vorsicht sei genauso selbstverständlich wie andere Schutzmaßnahmen bei der Arbeit mit anderen Substanzen oder Verfahren, meint der Wissenschaftler. "Die Menschen haben aber immer Angst vor dem Neuen", meint er.
Doch schon in der Antike wandten die Glasbläser die Nanotechnik an, um farbige Gläser herzustellen. Sie mischten Substanzen in geringsten Mengen unter das Material, das für die Glasproduktion erhitzt wurde. Wie sie das damals genau gemacht haben, das ist allerdings bis heute nicht völlig klar.
Franz-Josef Hanke
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