Wird die echte Nanotechnologie bitte aufstehen?

Der große Ballsaal des Boston Marriott war vollgestopft mit mehreren tausend Materialwissenschaftlern, die nur mit Stehplätzen besetzt waren, um Richard Smalleys abendlichen Plenarvortrag über neue Geräte und Materialien aus Kohlenstoff zu hören. Danach sieht der Chemiker der Rice University in einem fast leeren Besprechungsraum des Hotels müde und erschöpft aus, während er Fragen stellt. Dann ist er plötzlich revitalisiert; er beugt sich vor und konzentriert sich konzentriert. Das Gespräch hat sich zu einem seiner Lieblingsthemen entwickelt: Wie Nanotechnologie zur Rettung der Welt beitragen wird.

Es gibt ungefähr 6 Milliarden Menschen auf der Erde, betont Smalley in dieser Novembernacht, und die Forschung, die auf die Herstellung besserer, billigerer und effizienterer Materialien abzielt, wird ein Schlüssel zur Ernährung und Unterbringung dieser Bevölkerung sein, wenn sie auf einen endgültigen stabilen Zustand von 10 Milliarden ansteigt oder mehr. Aber die Grenzen, wie stark, leitfähig und komplex ein Material sein kann, seien im Nanometerbereich gesetzt, sagt er. Der Traum, sagt Smalley, ist es, mit dieser Finesse zu bauen, es bis ins letzte Atom perfekt zu machen. Diese Fähigkeit, behauptet er, würde kleinere, effizientere Batterien, stärkere Materialien und eine erheblich verbesserte und billigere Elektronik bringen.

Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom März 1999

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Dies sind keine Schwärmereien des neuesten trendigen Futuristen. Smalley ist einer der angesehensten Chemiker des Landes, 1996 Nobelpreisträger für Chemie und Direktor eines neuen 33 Millionen Dollar teuren Nanoscale Science and Technology Center in Rice. Er ist auch nicht allein. Immer mehr Forscher teilen Smalleys Überzeugung, dass die Kontrolle der Struktur von Materialien bis hin zu wenigen Atomen oder Molekülen einen immensen Einfluss auf alles haben wird, von der Informatik bis zur Medizin. Die Fähigkeit, Materie Atom für Atom zu manipulieren, ist seit Jahren Gegenstand der Science-Fiction. Aber die jüngste Entwicklung von Hightech-Werkzeugen, insbesondere Sonden, die empfindlich genug sind, um einzelne Atome und Moleküle sowohl abzubilden als auch zu bewegen, hat begonnen, diese Fantasien in wissenschaftliche Realität zu verwandeln.

Im vergangenen Jahr haben zwei Forschergruppen unabhängig voneinander einen Transistor aus einem einzigen Kohlenstoffmolekül hergestellt. Wissenschaftler haben Prototypen von Informationsspeichergeräten mit Datenbits von nur 50 Nanometer Durchmesser gebaut. Andere Forscher haben kürzlich ein Molekül hergestellt, das sich dreht und als Nanorad fungiert, sowie einen rudimentären Abakus mit einzelnen Molekülen, die als Gleitperlen fungieren.

Dies sind zugegebenermaßen Laborneuheiten. Und in Wahrheit weiß niemand wirklich, was aus der aufkommenden Wissenschaft resultieren wird. Während Wissenschaftler Nanogeräte einzeln im Labor mühsam herstellen können, müssen sie dennoch einen schnellen und kommerziell machbaren Weg finden, um Millionen davon herzustellen. Auch fehlen zuverlässige Methoden zur Integration nanoskaliger Komponenten. Aber diese ersten Schritte liefern überzeugende Beweise dafür, dass es möglich ist, funktionierende Nanogeräte zu bauen – und sie haben begonnen, beträchtliche Hoffnung (zusammen mit einer Menge Hype) zu wecken, dass Smalleys Traum vom Bau neuer Materialien mit molekularer Präzision wahr wird.

Grabenkriege

Was diesen Traum in Reichweite gebracht hat, ist die neu entdeckte Fähigkeit der Forscher, einzelne Atome abzubilden und zu manipulieren. Anfang der 1980er Jahre erfanden Physiker von IBM Research in Zürich das Rastertunnelmikroskop (STM), das es erstmals ermöglichte, Materie direkt im atomaren Maßstab aufzunehmen. Dies war die Entdeckung, die die Nanowelt eröffnete. Mit dem STM und einem eng verwandten Instrument namens Rasterkraftmikroskop (AFM) können Wissenschaftler jetzt Atome und Moleküle direkt herumschieben und sie an ihren Platz stoßen.

Es gibt zwei Formen der atomaren Manipulation. Eine beinhaltet physikalische Manipulation, um Atome auf einer Metalloberfläche herumzuschieben, um 2D-Strukturen zu bilden. Der andere Ansatz versucht, stabile Strukturen mit atomarer Auflösung herzustellen, indem chemische Bindungen aufgebrochen und gebildet werden, wobei die starken elektrischen Felder verwendet werden, die von der STM-Apparatur selbst erzeugt werden.

Das sind noch exotische Laboruntersuchungen. Aber für diejenigen in den Forschungslabors von Unternehmen und Universitäten bedeutet die Entwicklung dieser leistungsstarken neuen Tools, dass Sie völlig neue physikalische Strukturen abbilden und manipulieren können, so Donald Eigler, Physiker am IBM Almaden Research Center in San Jose. Die Gruppe von Calif. Eigler untersucht zum Beispiel den Magnetismus mehrerer Atome, die auf einer Oberfläche sitzen. Während die Arbeit mit STM letztendlich zu Fortschritten in der Computertechnik und magnetischen Datenspeicherung führen könnte, wird Eigler nicht nur von praktischen Anwendungen angetrieben. Was mich am meisten aufregt, sagt er, ist, wenn ich einen Aspekt der Natur sehe, der noch nie zuvor gesehen wurde. Das ist neuer Rasen.

Die Grenzen dieses neuen Reviers werden immer noch in einer manchmal umstrittenen Debatte gezogen. Die meisten Physiker berichten, dass der Nanoraum ein mysteriöser Ort ist, der nach seinen eigenen Regeln funktioniert. Und selbst Forscher wie Smalley, die glauben, dass sich die Arbeit schließlich in erheblichem Maße für die Gesellschaft auszahlen wird, weisen darauf hin, dass sie gerade erst anfangen, die Physik der ganz Kleinen zu verstehen und zu lernen, das Verhalten in diesem Bereich zu kontrollieren.

Einige behaupten jedoch, sie hätten alles andere als herausgefunden. Seit fast zwei Jahrzehnten beschreibt K. Eric Drexler, Vorsitzender des Foresight Institute mit Sitz in Palo Alto, Kalifornien, einer gemeinnützigen Gruppe, die die Nanotechnologie fördern will, genau, wie die Nanoherstellung funktionieren und die Welt verändern wird. Drexler stellt sich selbstreplizierende Nanoroboter vor, die Atome und Moleküle mechanisch zusammenschieben, um eine breite Palette wesentlicher Materialien aufzubauen. Eine riesige Anzahl dieser Nanoroboter, die zusammenarbeiten würden, würde den Materialbedarf der Welt fast kostenlos decken, den Hunger im Wesentlichen auslöschen und die Umweltverschmutzung durch konventionelle Fabriken beenden.

Es ist eine utopische Vision, die nur wenige Forscher, die Experimente auf der Nanoskala durchführen, angenommen haben. Aber es überrascht nicht, dass es für viele andere eine große Anziehungskraft hat. Dieser Begriff der Nanotechnologie hat ein Eigenleben entwickelt. Und für ein breites Publikum von Technologie-Enthusiasten sowie für einige Medien ist es die bekannteste Version des Nanotech-Traums.

Genau das ist nach Ansicht einiger Wissenschaftler das Problem. Drexlers Ideen mögen dazu beigetragen haben, frühzeitig Begeisterung für die Nanotechnologie zu wecken, aber nachdem sie jahrelang grandiose Spekulationen über eine schöne neue Nanowelt gehört haben, sagen Forscher, dass es an der Zeit ist, die Wissenschaft die Fantasien überholen zu lassen. Es gab keine experimentelle Überprüfung für Drexlers Ideen, sagt Mark Reed, Nanoelektronik-Forscher und Leiter der Elektrotechnik-Abteilung der Yale University. Wir beginnen jetzt mit den realen Messungen und Demonstrationen in diesem Maßstab, um eine realistische Vorstellung davon zu bekommen, was hergestellt werden kann und wie die Dinge funktionieren. Es ist Zeit für die echte Nanotechnologie, aufzustehen.

Einige argumentieren, dass das Aufkommen der praktischen Nanotechnologie bereits da ist. Es ist ein bescheidener Anfang. Wissenschaftler bauen noch keine praktischen elektronischen Geräte aus einzelnen Atomen oder Molekülen – und es gibt definitiv keine Nanoroboter. Richard Siegel, ein Materialwissenschaftler am Rensselaer Polytechnic Institute, der letztes Jahr einen von der National Science Foundation gesponserten Bericht über Nanotechnologie leitete, sagt jedoch, dass die kontrollierte Synthese von Materialien im Nanometerbereich bereits begonnen hat. Der Bericht kam auch zu dem Schluss, dass ein weltweiter Wettlauf um die Nutzung von Nanomaterialien und den Bau von Nanogeräten in vollem Gange ist, angeführt von zahlreichen Universitätsforschungsgruppen und großen Industrielabors wie IBM Research, Motorola und Japans NEC Fundamental Research.

Derzeit werden diese Materialien hauptsächlich mit traditionellen Methoden der chemischen Synthese hergestellt, aber Siegel sagt, dass die Verfügbarkeit von Werkzeugen für die atomare Bildgebung begonnen hat, Wissenschaftlern zu ermöglichen, selektive Nanostrukturen herzustellen. Siegel weist beispielsweise auf die Entwicklung nanokristalliner Materialien hin, die in den Giant Magnetoresistance (GMR)-Geräten verwendet werden, die in den letzten Jahren das Tempo der Verbesserung der Informationsspeicherung dramatisch beschleunigt haben. Die GMR-Technologie basiert auf mehreren Schichten dünner Filme, von denen einige nur wenige Atome dick sind; Die präzise Schichtung dieser dünnen Filme auf molekularer Ebene ist für die hohe Empfindlichkeit des Geräts verantwortlich. Siegel argumentiert, dass der enorme Einfluss der Nanotechnologie auf die Nanoelektronik kommen wird. Die Nanokristalle, die in GMR verwendet werden, sind seiner Ansicht nach nur die Spitze dieses Eisbergs.

Für diejenigen, die mikrometergroße Geräte herstellen (heute in der fortschrittlichen Elektronik und Optik üblich), nähert sich die Kollision mit der Nanoskala schnell. Auch das expandierende Feld der MEMs (Micro-Electro-Mechanical Machines), das winzige Maschinen entwickelt, die vom Mikrofon bis zur Miniaturrakete alles Mögliche machen, stößt auf die Nanowelt und fertigt routinemäßig Arbeitsteile von wenigen hundert Nanometern.

Puristen müssen jedoch kleiner denken – viel kleiner – bevor Sie die echte Nanowelt betreten. Für diese Chemiker und Physiker beginnt der Spaß erst ab etwa 50 Nanometern. In dieser neuen Arena verlieren Kräfte wie die Schwerkraft, die die Alltagswelt beherrschen, schnell ihre gewohnte Bedeutung. Die physische Intuition versagt in der Nanowelt kläglich. Sie müssen Ihre vorgefassten Meinungen ablegen, sagt Reed. Sie sehen alle möglichen ungewöhnlichen Effekte. Zum einen können Elektronen an Orte gehen, die sie nach der klassischen Physik nicht sein können. In manchen Fällen, sagt Reed, ist es, als würde man einen Tennisball gegen ein Garagentor werfen und den Ball auf der anderen Seite herausspringen lassen.

Hier beginnt auch die heutige siliziumbasierte Elektronik zu versagen. Auf der Nanoskala lassen konventionelle Transistoren Elektronen wie Siebe abfließen, und die Dotierstoffatome, die in Silizium eingebracht werden, um seine Eigenschaften zu kontrollieren, verhalten sich wie riesige, unhandliche Felsbrocken. Doch wenn die Nanoskala konventionelle elektronische Technologien stark behindert, eröffnet sie auch bemerkenswerte neue Möglichkeiten, die die heutige Elektronik möglicherweise wie das Model T aussehen lassen.
Wenn elektronische Geräte auf die Größe einzelner Moleküle reduziert werden könnten, würde sich das Spiel komplett ändern. Molekulare Elektronik wurde in den 1970er Jahren von Mark Ratner, der jetzt an der Northwestern University arbeitet, und Ari Aviram von IBM vorgeschlagen. Es blieb jahrelang eine verlockende Idee, die weit über die Fähigkeiten von Experimentalisten hinausging. Aber in den letzten Jahren haben Spitzenforscher damit begonnen, echte Drähte und Komponenten aus einzelnen Molekülen herzustellen. Und jetzt haben sie damit begonnen, grobe Geräte herzustellen, die tatsächlich funktionieren.

In Yale haben Reed und seine Mitarbeiter zum Beispiel eine Diode aus mehreren einzelnen organischen Molekülen hergestellt. Die einfache, mehrere Nanometer lange Diode sei alles andere als ein praktisches Gerät, sagt Reed. Aber, fügt er hinzu, ist dies ein erster, ermutigender Schritt, um Transistoren und Logikbausteine ​​in dieser Größenordnung herzustellen.

Nanonudeln

Ein Schlüssel zu den Fortschritten in der molekularen Elektronik könnte ein exotisches Molekül namens Kohlenstoff-Nanoröhrchen sein. Diese bemerkenswerte Kohlenstoffstruktur – die 1991 von Forschern des japanischen NEC entdeckt wurde – ist ein enger chemischer Verwandter des Buckyballs, einer neuen Form von Kohlenstoff, die 1985 von Smalley entdeckt wurde sind lange Rohre aus einer aufgerollten Graphitplatte. Sie sind elektrisch leitend und zu Drähten von nur wenigen Nanometern Durchmesser verarbeitet.

Nanoröhren sind sowohl im wörtlichen als auch im übertragenen Sinne ein Tunnel zwischen der Nano- und der makroskopischen Welt. Diese Strukturen ermöglichen eine lange Faser, die nur wenige Atome breit ist. Auf praktischer Ebene, sagt Smalley, könnten Batterien Nanoröhren verwenden, um sowohl Elektronen zwischen Atomen zu transportieren als auch eine Ladung in Zentimeter Entfernung zu transportieren. Ihr großer Vorteil ist, dass sie molekular sind, sagt Smalley. Jede Nanoröhre, sagt er, ist eine Einheit mit eigenem Verhalten und eigener Integrität. Das heißt, Sie können die einzelnen Kohlenstoffmoleküle wie winzige Nanologs herumschieben.

Tatsächlich verhält sich eine Nanoröhre eher wie gekochte Spaghetti, sagt Phaedon Avouris, Manager der Nanometer-Scale Science and Technology Group von IBM Research in Yorktown Heights, NY schieben Sie es hinein. Die Adhäsion sorgt auch für einen guten elektrischen Kontakt zwischen der Nanoröhre und den Metallelektroden.

Vor kurzem haben Avouris und seine Mitarbeiter eine dieser Nanonudeln manövriert, um ein Elektrodenpaar zu überbrücken und die Moleküle in Ringe und Buchstaben zu stecken. Die IBM-Wissenschaftler haben auch einen funktionsfähigen Feldeffekttransistor – ein grundlegendes elektronisches Gerät – bei Raumtemperatur aus einer einzigen Nanoröhre hergestellt.

Die erfolgreiche Entwicklung der Molekularelektronik würde bedeuten, dass ein einzelner Chip Milliarden von Nanotransistoren aufnehmen könnte, was einen Computer um Größenordnungen leistungsfähiger machen würde als heutige Maschinen. Es könnte auch bedeuten, winzige und billige Computer zu bauen, die Millionen von Nanotransistoren beherbergen; Solche Computer in Salzkorngröße könnten einfach und kostengünstig in Dutzende anderer Produkte integriert werden – sogar in intelligente Materialien.

Die Nanotechnologie könnte auch Informationsspeichergeräte mit immenser Kapazität ermöglichen. Forscher von IBM Research in Zürich unter der Leitung der Physiker Gerd Binnig und Peter Vettiger bauen einen mikromechanischen Prototypen, der mit winzigen Siliziumspitzen Datenbits von weniger als 50 Nanometer Breite liest und schreibt. Das würde zu Festplatten mit Speicherkapazitäten von fast einer Billion Byte (Terabyte) führen – ein paar Größenordnungen größer als die Festplatten heutiger Top-of-the-Line-PCs. Es können auch kleine Produkte sein, etwa in der Größe einer Armbanduhr, die eine enorme Speicherkapazität haben.

In ihren Experimenten verwenden Binnig und seine Mitarbeiter die AFM-Spitze, um Nanobits an Informationen auf einer Polymeroberfläche auszulesen. Die Verwendung einer einzigen Spitze würde jedoch einen Prozess bedeuten, der viel zu langsam ist, um praktisch zu sein. Binnig hat deshalb Arrays von mehr als 1.000 AFM-Spitzen verdrahtet, die parallel agieren. Die Arrays können schnell Informationen schreiben, indem sie winzige Vertiefungen in das Substrat stanzen, und die Nanobits lesen, indem sie die Vertiefungen erkennen.
Binnigs Kollegen von IBM Zürich haben inzwischen mit dem STM noch kleinere Nanoobjekte mit Uhrwerk-Präzision hergestellt. James Gimzewski, ein IBM-Chemiker, hat eine exquisit kleine Rechenmaschine gebaut. Gimzewski benutzte die STM-Spitze als Finger, um die Abakusperlen zu bewegen, die Buckyballs mit einem Durchmesser von weniger als 1 Nanometer sind.

Gimzewskis neueste Erfindung ist ein Rad, das aus einem Propellermolekül besteht, das sich auf einer winzigen, lagerähnlichen Struktur dreht. Gimzewski sagt, dass das rotierende Molekül zwar auf mögliche zukünftige Nanomaschinen hindeutet, die Forschung jedoch noch im Keim erstickt. An dieser Stelle sagt er, wenn man in der Nanowelt etwas zum Laufen bringen kann, macht man sich keine Sorgen um seine Praktikabilität. Wir fangen gerade an. Es ist, als ob Kinder mit Legos spielen.
Das Zürcher Werk spiegelt einen tief verwurzelten und stark schweizerischen Glauben an die Mechanik wider. Physiker Binnig sagt: Die Mechanik wurde übersehen, weil die Elektronik so erfolgreich ist. Es gilt als altmodisch. Sein Gerät zur Informationsspeicherung funktioniert jedoch mehr oder weniger wie eine winzige Phonographennadel.

Wenn man die Nanowelt erkundet, werden mechanische Geräte zu einer attraktiven Alternative zur Elektronik.
Binnig sagt, dass der mechanische Ansatz weit über die Datenspeicherung hinaus erweitert werden kann und dass alles, was elektronisch möglich ist, auch mechanisch erledigt werden kann. Elektronik ist besonders gut darin, Energie auf präzisen Wegen an einen genau definierten Ort zu leiten. Aber die Nanomechanik hat den Vorteil, dass sie mit sehr geringem Stromverbrauch arbeitet. Während ein 3D-Nanoelektronikgerät sofort durch seine eigene Hitze schmelzen würde, sagt Binnig, könnte man sich ein 3D-Nanomechanisches Gerät vorstellen, das kühl läuft. Darüber hinaus können sich mechanische Geräte als einfacher als elektronische Geräte in biologische, optische und chemische Systeme erweisen.

Geben Sie den Hype ein

Irgendwo hier fängt die Wissenschaft an, sich mit der Science-Fiction zu vermischen. Wenn Sie ein Nanorad herstellen können, warum nicht ein Nanozahnrad? Ein selbstfahrendes Nanoboot? Warum bauen Sie nicht einen Nanoroboter, der sich für Sie um die Atome bewegt?

Und wenn Sie schon dabei sind, warum nicht Nanoroboter bauen, die sich selbst replizieren können, um Nanofabriken zu besetzen, die in der Lage sind, fast alles aus den Grundbausteinen der Atome zusammenzusetzen? Willkommen bei der molekularen Fertigung, wie sie von Nanoevangelist Drexler gepredigt wurde. Den Kern der Drexlerschen Vision bildet ein Gizmo namens Assembler. Diese hypothetische Robotervorrichtung würde funktionieren, indem sie Atome mechanisch in praktisch jede beliebige Konfiguration bringt. Wenn die Chemie zwischen den Atomen nicht funktioniert, würde der Assembler eine kleine mechanische Kraft aufbringen (Drexler und seine Anhänger nennen das Mechanochemie). Bringen Sie Milliarden dieser Assembler dazu, parallel zu arbeiten, um alle Atome genau richtig anzuordnen – nun, dann können Sie so ziemlich alles bauen, was Sie sich vorstellen können.

Es gibt nur ein Problem: Nur wenige Chemiker, Physiker oder Materialwissenschaftler sehen Beweise dafür, dass dies möglich sein wird. Viele Anhänger der Drexlerschen Vision sind Informatiker, die gerne simulieren, wie alles funktionieren wird. Sie produzieren elegante molekulare Modelle von Nanozahnrädern und Pumpen, bieten aber keinen klaren Plan, wie man solche Dinge tatsächlich baut.

Befürworter der molekularen Fertigung lassen sich von der Skepsis ihrer etablierteren Kollegen nicht abschrecken – obwohl sie einräumen, dass ihre Vision Jahrzehnte brauchen wird, um sie zu verwirklichen. Theoretische Berechnungen und Computermodelle sagen, dass dies möglich ist, betont Ralph Merkle, Informatiker am Xerox Palo Alto Research Center und Direktor des Foresight Institute mit Drexler. Insbesondere verteidigt Merkle die beiden Schlüsselvorschläge, die von anderen Wissenschaftlern das meiste Feuer auf sich gezogen haben: den Vorschlag von selbstreplizierenden Assemblern und die Positionskontrolle von Atomen und Molekülen für die Mechanochemie.

Bei der Selbstreplikation würde ein molekularer Computer den Bau eines Nanoroboterarms steuern, um einen anderen Computer zu bauen; dieser zweite Computer leitet dann den Bau eines weiteren kleinen Computers und so weiter. Selbstreplikation sei ein Konzept, das in der Informatik seit Jahren herumgewirbelt sei, sagt Merkle, und logischerweise sollte es funktionieren. Die Idee der Positionskontrolle erfordert, dass die Roboterarme Atome und Moleküle genau so platzieren, dass sie sich verbinden und alles bilden, was Sie wollen. Solange man keine physikalischen Gesetze verletzt, ist dieser mechanische Zugang zur Chemie sinnvoll, sagt Merkle.

Doch Drexlers Kritiker weisen darauf hin, dass die Chemie auf molekularer Ebene ein sehr komplexer Prozess ist. Das Spiel der Chemie zu spielen, sagt Smalley, bedeute, Atome in drei Dimensionen zu kontrollieren. An jedem Reaktionsort spüren Atome den Einfluss eines Dutzends benachbarter Atome; Um Mechanochemie zu betreiben, müssten Sie die Bewegung jedes einzelnen kontrollieren. Für einen Nanoroboter wäre das ein unvorstellbar komplizierter Jonglierakt. Andere hochangesehene Forscher verwerfen Drexlers Ideen einfach von der Hand. Eigler von IBM sagt: Er hat keinen Einfluss darauf, was in den Nanowissenschaften passiert. Nach dem Wenigen, was ich gesehen habe, sind Drexlers Ideen nanophantasievolle Vorstellungen, die nicht sehr bedeutungsvoll sind.

Montagelinien

Bevor sich Forscher über den Bau von Nanofabriken Gedanken machen, müssen sie auf jeden Fall einen praktischen Weg finden, um jedes Gerät im Nanomaßstab in Massenproduktion herzustellen. Einige hoffen, dass verschiedene exotische Formen der Lithografie (optische Lithografie ist die Standardtechnologie zum Ätzen von Mustern auf Siliziumchips) unter 100 Nanometern funktionieren. Aber wie klein und wie schnell lithografische Verfahren letztendlich werden könnten, ist unklar (siehe Chips Go Nano, S. 55). Ebenso ist das Herumschieben von Molekülen mit einem STM ein äußerst langsamer und schwieriger Weg, um etwas herzustellen. Und wenn Sie fertig sind, haben Sie nur noch ein sehr kleines Objekt. Der Bau eines einzelnen Computerchips, ein Atom nach dem anderen, mit der heutigen STM-Technologie würde einer Schätzung zufolge 1.000 Jahre dauern.

Eine Lösung besteht darin, die STM- oder AFM-Spitzen in einem parallel arbeitenden Array zu verbinden – eine nanomechanische Montagelinie, die Henry Ford ansprechen könnte. Dies ist die Strategie, die Binnig von IBM bei seinem Informationsspeicher verfolgt. Und während die Verkabelung dieser winzigen Arrays und ihre Umwandlung in ein funktionierendes Gerät eine lästige Pflicht ist, deuten die Voruntersuchungen bei IBM Zürich und mehreren anderen Labors darauf hin, dass es möglicherweise funktionieren könnte.

Viele glauben jedoch, dass die längerfristige Antwort in einem Prozess liegt, der als Selbstorganisation bezeichnet wird. Im Gegensatz zum Drexlerschen Konstruktionsplan, der sich selbst replizierende Nanoroboter verwendet, um Atome zu bewegen, beruht die Selbstorganisation auf der Chemie, um die Teile einer nanoskaligen Struktur zu positionieren, und nutzt die Fähigkeit bestimmter Moleküle, sich in komplexen Strukturen anzuordnen. Chemisch gesehen funktioniert die Selbstorganisation, weil Moleküle das thermodynamische Minimum der gewünschten Struktur suchen. Betrachten Sie es als ein Fertighaus, das sich mit Chemie selbst baut.

Aber bisher haben Chemiker und Materialwissenschaftler gelernt, nur die einfachsten Strukturen aufzubauen. Das Kunststück, spezifische Eigenschaften in den Materialien zusammenzubauen und verschiedene Materialien zu kombinieren, bleibt eine gewaltige Herausforderung.

Die Lösung dieses Problems könnte bestimmen, welche Nanogeräte praktisch sind – und wie lange es dauert, bis sie auf den Markt kommen. Für die meisten Anwendungen müssten Sie Milliarden von Nanoobjekten herstellen und integrieren. Und um in Bereichen wie der Informationstechnologie wettbewerbsfähig zu sein, müssen Sie dies sehr kostengünstig tun. Dazu, sagen viele Wissenschaftler, wird die Synthesekunst der Chemie erforderlich sein. Erwarte nicht, dass jemand so weit kommt, dass du Zutaten in einen Becher gibst und ein integrierter Schaltkreis herausspringt, sagt Reed von Yale. Die Hoffnung ist jedoch, dass die Selbstmontage nanoelektronische Geräte schließlich dort platzieren könnte, wo Sie sie haben möchten, sagt Reed.
Das wird dauern. Aber es gibt ermutigende Anzeichen dafür, dass dieser Ansatz funktionieren wird. Selbstorganisation ist gewissermaßen der Punkt, an dem Chemie und Materialwissenschaft – die Kunst, echtes Zeug zu bauen – auf die Physik der Nanoskala trifft. Die Physik hat Wissenschaftlern die Möglichkeit gegeben, Nanoobjekte zu manipulieren und die Funktionsweise der Nanowelt zu verstehen, und jetzt suchen Forscher in der Chemie und Materialwissenschaft nach den nächsten Fortschritten, die dazu beitragen werden, all diese Arbeiten in eine praktische Technologie zu verwandeln.

Niemand weiß wirklich, woher diese Durchbrüche kommen werden – oder ob sie kommen werden. Aber während die Wissenschaft der Nanowelt wächst, beginnen sich die wirklichen Möglichkeiten aus dem Nanonebel herauszukristallisieren.

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