Nanotechnologie in Zahlen

In seiner engen Kabine bei Nanomix, einem Nanotechnologieunternehmen in Emeryville, Kalifornien, gleich gegenüber der Bucht von San Francisco, betrachtet der theoretische Physiker Seung-Hoon Jhi ein Computermodell eines Wasserstofftanks und verfolgt dabei sorgfältig die Bewegung einzelner Moleküle. Während er die Temperatur einer simulierten Schicht aus Bor- und Stickstoffatomen von eisigen 50 Kelvin auf etwas weniger kühle 80 Kelvin anhebt, beobachtet er die Reaktion einer Handvoll Wasserstoffmoleküle, die auf seiner Oberfläche punktieren. Die Bornitridschicht wellt sich, aber die Wasserstoffmoleküle halten fest. Dies ist ein ermutigendes Zeichen für ein virtuelles Experiment, das möglicherweise nur Wochen oder Monate mühsamer experimenteller Tests im Rahmen der Bemühungen von Nanomix zur Entwicklung effizienterer Wasserstoffspeichermaterialien für Brennstoffzellenautos erspart hat.

Es ist natürlich Cyberdreaming. Aber Jhi und seine Nanomix-Kollegen sind von der Richtigkeit dieser computergestützten Modellierung, die aus präzisen Berechnungen des Verhaltens einzelner Atome zusammengesetzt ist, so überzeugt, dass sie die Simulationen verwenden, um Materialien zu entwerfen und zu testen, die noch nie zuvor hergestellt wurden – Materialien, deren Anordnung auf der Nanometerskala (ein Nanometer ist ein Milliardstel eines Meters) können nützliche Eigenschaften für Anwendungen erzeugen, die von hochempfindlichen Sensoren über Flachbildschirme bis hin zu verdeckten Beschichtungen für Kampfflugzeuge reichen. In der Halle, weniger als 15 Meter von Jhis Kabine entfernt, arbeiten die Experimentatoren des Unternehmens im Labor daran, die vielversprechendsten Ergebnisse der Modellierung zu synthetisieren.

Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom September 2002

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Nanomix ist zwar nur eines von mehreren jungen Startups, die darauf hoffen, Nanomaterialien zu nutzen, aber das Unternehmen setzt darauf, dass es einen Vorteil hat: die Fähigkeit, die Materialien virtuell zu entwerfen – ohne auch nur einen Becher zu rühren – und dann ins Labor zu gehen und sie herzustellen . Ihre Mitbegründer – der theoretische Physiker Marvin Cohen und der Experimentalphysiker Alex Zettl, beide von der University of California, Berkeley – arbeiten seit über einem Jahrzehnt an einer solchen Alchemie. Nun hoffen sie, dieses Know-how als Basis für ein Nanotech-Unternehmen nutzen zu können. Unser Ziel ist es, die ersten funktionierenden Nanokomponenten auf dem Markt zu haben, sagt Charles Janac, CEO von Nanomix.

Das Entwerfen von Materialien auf Computern hat Industrieforscher seit mehr als einem Jahrzehnt in Versuchung geführt. Zumindest theoretisch ist die Idee einfach: Mit den Regeln der Quantenmechanik lässt sich das Verhalten der Elektronen berechnen, die um ein Atom herumwirbeln. Bei ausreichender Rechenleistung sollte man mit solchen Berechnungen in der Lage sein, ein Material Atom für Atom zu entwerfen und gewünschte Eigenschaften durch Anpassung des elektronischen Profils einzubauen. Das Problem ist, dass die Eigenschaften von Materialien aus den Wechselwirkungen einer Vielzahl von Atomen resultieren. Und selbst die leistungsstärksten Supercomputer von heute kämpfen mit Quantenberechnungen mit mehr als fünf- oder sechshundert Atomen, was die Entwicklung neuer Materialien stark einschränkt.

Aber Nanomaterialien, die oft isolierte Moleküle sind – oder Moleküle, deren Eigenschaften aus begrenzten Wechselwirkungen resultieren – sind für Computer ein viel einfacheres Ziel. Tatsächlich erweist sich die Quantenmodellierung in vielerlei Hinsicht als idealer Weg, um die Nanowelt zu erforschen. Die Vorhersagekraft der Nanomodellierung erweist sich laut James Tour, Chemiker und führender Nanotech-Forscher an der Rice University in Houston, als enorm.

Nanomix glaubt, dass es gerade diese Vorhersagekraft ist, die es ihm ermöglichen wird, die Entdeckung von Nanomaterialien zu revolutionieren. Dank eines Vorsprungs aus seinen Computersimulationen entwickelt das im Jahr 2000 gegründete Unternehmen bereits winzige Gassensoren, die mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen – nur wenige Nanometer breiten Molekülen mit einer Wandstärke von einem Atom – gefährliche Gase erkennen. Bis Ende nächsten Jahres plant Nanomix, mit dem Verkauf dieser auf Nanoröhren basierenden Sensoren zu beginnen, um Benzindämpfe zu erkennen und Raffinerien, Chemiefabriken und Pipeline-Stationen vor Lecks zu schützen. Jeder Sensor sollte zehnmal weniger kosten als ein herkömmlicher Lecksucher und ein Jahr lang mit einer Uhrenbatterie betrieben werden. Verbunden mit drahtlosen Sendern, die nicht größer als Briefmarken sind, könnten sie zu Zehntausenden verstreut werden, eine Industrieanlage überdecken – oder in leckanfällige Ventile gequetscht werden, um defekte Dichtungen aufzuspüren, was mit weit größeren und teureren herkömmlichen Sensoren nicht möglich ist.

Gleichzeitig entwirft Nanomix Designs für neuartige Nanomaterialien für Wasserstoff-Brennstoff-Speichermaterialien mit einer noch größeren Fähigkeit, Wasserstoff zu speichern als die Bornitrid-Blätter auf Jhis Bildschirm. Wenn diese Materialien Realität werden, könnten sie die Leistung von Brennstoffzellenautos dramatisch steigern und endlich Autos, die mit Wasserstoff betrieben werden, kommerziell nutzbar machen. Das Unternehmen hat auch begonnen, darüber nachzudenken, wie neuartige Nanomaterialien wie Nanoröhren in winzigen Computergeräten verwendet werden könnten.

Die Entwicklung von Nanomaterialien für Brennstoffzellen und Nanocomputer wird voraussichtlich Jahre dauern. Nanomix glaubt jedoch, dass sein Plan, mit dem Verkauf von Sensoren und anderen frühen Anwendungen der Nanotechnologie zu beginnen, das Unternehmen schon lange vorher zu einem rentablen Geschäft machen wird. Die Leute sagen immer wieder, dass die Nanotechnologie noch in weiter Ferne liegt, und zwar in dem Sinne, dass es sich um einen langfristigen Trend handelt, der enorme Auswirkungen auf die Weltwirtschaft haben wird. Aber einige der frühen Bewerbungen sind nur noch 18 Monate entfernt, prognostiziert Janac.

Erfolg spüren

Die Erfindung eines neuen Materials, beispielsweise eines neuen Polymers oder einer neuen Metalllegierung, war noch nie einfach – und ist oft eher ein Zufall als theoretisches Design. Selbst in führenden Industrieanlagen wie dem zentralen Forschungslabor von DuPont, das viele der heute wichtigsten Polymere und Hightech-Materialien erfunden hat, ist der Prozess oft ein Zufallsunterfangen, das mehr von den Instinkten der Experimentalisten bestimmt wird als von den berechneten Vorhersagen von Theoretiker. Auf der Nanoskala versagen jedoch oft die Instinkte der Forscher, wenn die seltsamen Regeln der Quantenwelt die Oberhand gewinnen. Wir kommen in Bereiche, in denen unsere Intuition, die oft auf unseren früheren Erfahrungen basiert, wirklich ziemlich mangelhaft ist, sagt Ed Wasserman, wissenschaftlicher Berater der zentralen Forschung und Entwicklung von DuPont.

Es ist jedoch ein Ort, an dem sich theoretische Quantenphysiker wie zu Hause fühlen – ein Reich, in dem sie Gott spielen und neue Materialien erschaffen können, indem sie einfach um Atome herumschlurfen. Einer dieser Götter ist Cohen, Mitbegründer von Nanomix, ein Pionier der Quantenmodellierung. In den 1960er Jahren hatte Cohen die Erkenntnis, dass es möglich ist, die für Simulationen erforderlichen Berechnungen stark zu vereinfachen, indem nur diese Elektronen behandelt werden, da nur die äußersten Elektronen eines Atoms wechselwirken, um einem Material seine Eigenschaften zu verleihen. Diese mathematische Abkürzung revolutionierte die quantenmechanische Modellierung. Wenn Sie eine All-Elektronen-Berechnung durchführen, ist es fast so, als ob Sie versuchen würden, das Gewicht des Kapitäns eines Schiffes zu ermitteln, indem Sie das Schiff wiegen und dann den Kapitän mit dem Schiff wiegen, erklärt der Berkeley-Physiker Steven Louie, ein Berater von Nanomix. Durch das direkte Wiegen des Kapitäns macht es die Software von Cohen jetzt praktisch, einen PC zu verwenden, um schnell Vorhersagen zu Nanomaterialien mit neuartigen Kombinationen von elektronischen, magnetischen und Lichthandhabungseigenschaften zu treffen.

Aber Cohen erkannte auch, dass solche Simulationen nur so real sind wie die Fähigkeiten der Experimentatoren am Ende des Flurs. So begann er Anfang der 1990er Jahre mit Berkeley-Kollegen wie Alex Zettl zusammenzuarbeiten, die Erfahrung in der Synthese neuartiger Materialien hatten. Die Entdeckung – und die eigentliche Synthese – von Bornitrid-Nanoröhren im Jahr 1994 war ein früher Erfolg. Cohen, der über die atomare Struktur von Bornitrid-Blättern nachdachte, erkannte, dass es möglich sein sollte, die Bleche zu zylindrischen Molekülen aufzurollen. Andere Forscher hatten kürzlich ähnliche molekulare Röhren aus Kohlenstoff hergestellt, aber niemand hatte die Technik auf Bor und Stickstoff ausgeweitet. Cohen und seine Studenten fuhren ihre Modelle hoch und berechneten, dass Bornitrid-Nanoröhren nicht nur stabil sind, sondern auch interessante elektrische Eigenschaften aufweisen. Innerhalb eines Jahres hatte der Experimentator Zettl einen Weg gefunden, die neuartigen Nanoröhren herzustellen und die vorhergesagten Eigenschaften zu bestätigen.

Ein netter wissenschaftlicher Trick, sicher, aber wie macht man aus dieser Art von Physik-Zaubererei ein Geschäft?

Die unmittelbare Herausforderung für die Forscher bei Nanomix besteht darin, die Sensoren zu perfektionieren, die Janac versprochen hat, im nächsten Jahr mit dem Verkauf zu beginnen. Bisher haben die Theoretiker von Nanomix die spezifischen Arten von Nanoröhren identifiziert, die am empfindlichsten auf die Kohlenwasserstoffe reagieren, die Raffinerien, Chemieanlagen und Pipelines durchdringen können. Sie haben auch vorhergesagt, wie jedes Gas die Leitfähigkeit durch die Röhren verändern würde, und lieferten einen Spannungsfußabdruck, der es identifizieren würde. Jetzt müssen die Experimentatoren herausfinden, wie die auf Nanoröhren basierenden Geräte in Massenproduktion hergestellt werden können. Und sie müssen ein Produkt liefern, das zuverlässig genug ist, um das Leben von Anlagenbetreibern zu schützen.

Diese Art der Entwicklung eines neuen Materials kann leicht ein Jahrzehnt dauern. Aber wenn Nanomix – mit Hilfe seiner Modellierungs- und theoretischen Expertise, um den Prozess zu verkürzen – im nächsten Jahr oder so erfolgreich sein kann, wird es seine Strategie für die Nano-Erfindung validieren. Es wird auch die Tür zu einer ganzen Welt von Sensoren öffnen. Für den Anfang sollte Nanomix in der Lage sein, Nanoröhrensensoren so zu gestalten, dass sie fast jedes Gas aufspüren, von Kohlenmonoxid bis hin zu Verbindungen, die in chemischen Waffen verwendet werden. Und das Unternehmen fördert akademische Forschung, die darauf abzielt, Nanoröhren so abzustimmen, dass sie biochemische Hauche von Krankheiten wahrnehmen, den Insulinspiegel bei Diabetikern messen oder Antigene erkennen, die auf eine Infektion hinweisen. Nanotubes sind die ultimative Sensorplattform, behauptet Janac. Mehr als Einzelmolekül-Sensitivität braucht man nicht, die Leistungsaufnahme wird Nanowatt betragen und von der Größe her kann man zumindest in absehbarer Zeit nicht kleiner werden als eine Nanoröhre. Wir glauben, dass wir mit dieser Architektur das Sensorgeschäft revolutionieren werden.

Nano-Dollar

Aber technische Herausforderungen sind nicht die einzigen Herausforderungen, denen Nanomix ausgesetzt ist. Das Unternehmen kämpft nicht nur darum, ein Nanoprodukt auf den Markt zu bringen, es muss auch die Konkurrenz um den relativ kleinen Pool an Risikokapitalmitteln schlagen, der für Nanotechnologie-Startups zur Verfügung steht. Bei vielen Experten mag die Begeisterung über die Perspektiven der Nanotechnologie wachsen, aber die Bereitschaft der Anleger, Geld in hochspekulative Technologien zu investieren, wächst nicht annähernd so schnell. Das bedeutet, dass Nanomix – wie eine Reihe anderer junger Nanotechnologie-Unternehmen – nicht nur um die Beantwortung gewaltiger wissenschaftlicher Fragen kämpfen muss, sondern einfach ums Überleben kämpfen muss.

Alta Partners mit Sitz in San Francisco stellte Nanomix im Jahr 2000 eine Startfinanzierung bereit, und im letzten Jahr hatte Nanomix 4,5 Millionen US-Dollar aufgebracht. Aber seitdem sind zusätzliche Mittel schwer zu finden, da Risikokapitalgeber nach dem Wirtschaftscrash im letzten Jahr vorsichtig geworden sind. Es war eine lange Mühsal, andere Leute dazu zu bringen, zu investieren, sagt Alta-Partner Peter Schwartz.

Ironischerweise sind es genau die Stärken von Nanomix – eine starke akademische Abstammung und theoretische Expertise –, die das Unternehmen vor potenziellen Investoren schwächen können, die einem Gebiet gegenüber misstrauisch sind, in dem Ergebnisse oft eher nach Grundlagenforschung als nach praktikablen Produkten klingen. Und die Theoretikerschar von Nanomix macht es besonders leicht, das Unternehmen mit einem Labor für Grundlagenforschung zu verwechseln.

Der Druck hat Nanomix dazu veranlasst, auf Kosten der Bemühungen des Unternehmens in der theoretischen Physik einen kurzfristigen Schwerpunkt auf die Produktentwicklung zu legen. Aber während Cohen die unmittelbare Notwendigkeit akzeptieren mag, ein Produkt auf den Markt zu bringen, um finanzielle Unterstützung zu gewinnen, bleibt er seinem Traum treu: einem Unternehmen, das Nanomaterialien erfindet und vermarktet, indem es Quantenmodellierung und Theorie mit geschicktem Experimentieren verbindet. Es ist ein Traum voller exotischer Materialien, begrenzt nur durch die Regeln der Physik und die Klugheit seiner Praktiker.

Wie viele Nanotech-Forscher sind Cohen und seine wissenschaftlichen Kollegen bei Nanomix davon überzeugt, dass Nanomaterialien nicht nur in der Sensorik und Wasserstoffspeicherung Anwendung finden, sondern auch in elektronischen Geräten, die tausendmal kleiner sind als die heutigen Siliziumtransistoren, die ultraschnelle, ultrakleine Computer ermöglichen. Liliputanische Schaltkreise mit Milliarden von Nanokomponenten mögen noch Jahre in der Zukunft liegen, aber Nanomix-Forscher denken bereits an die Nanomaterialien, die sie ermöglichen könnten.

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