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Nanotechnologie: Mit dem Kampf-U-Boot auf Bakterien-Jagd

Unter dem Mikroskop werden Eintagsfliegen zu Monstern und Haare so dick wie Schiffstaue. Auf der Suche nach Platz für die Technik der Zukunft gehen Forscher noch einen Schritt weiter und erobern nun eine Welt, die so klein ist, dass dort eine ganze Fabrik in einen Fingerhut passt.



Das Nano-U-Boot der Firma MicroTec bei seiner Fahrt durch eine menschliche Schlagader
Picture by MicroTec

Können Sie sich vorstellen, wie klein ein Nanometer, der millionste Teil eines Millimeters, ist? Das ist so winzig, dass selbst der Punkt auf diesem "i" aus Nanometer-Sicht ein schwarzes Tintenmeer von etwa 100 Meter Durchmesser ergeben würde.

Wäre ein Mensch nur 1,80 Nanometer groß und würde mit dem Stachel einer Biene von zwei Millimeter Länge konfrontiert, dann wäre das, wie wenn er eine gigantische, zwei Kilometer lange Riesen-Lanze vor sich hätte.

Wissenschafter auf der ganzen Welt und auch in Österreich arbeiten mittlerweile mit solchen unvorstellbar kleinen Dimensionen. Einzelne Moleküle, sogar einzelne Atome, sind die Bausteine, aus denen die Transistoren, Schaltkreise und Chips der kommenden Computer-Generationen gefertigt werden. Nano-Partikel kommen aber auch in der Patientenbehandlung zum Einsatz.

In diesen Mikro- (bis zu einem tausendstel Millimeter) und Nano-Objekten (bis zu einem millionstel Millimeter) sehen Forscher der unterschiedlichsten Sparten die wahre Revolution des 21. Jahrhunderts. Denn was zum Beispiel noch kürzlich als skurrile Science-Fiction-Komödie über die Leinwände flimmerte ("Liebling, ich habe die Kinder geschrumpft") , ist schon Realität: Die deutsche Firma "Microtec" schickte ein Mini-U-Boot von nur 0,5 Millimeter Durchmesser durch eine menschliche Beinschlagader auf Erkundungstour.

Firmengründer Dipl. Ing. Rainer Götzen: "Angetrieben wird die mikroskopische Schiffsschraube derzeit noch über einen Mikro-Magneten von außerhalb des Körpers."

Aber es dauert möglicherweise nicht mehr lange, bis der mit Hilfe von Laserstrahlen aus flüssigem Kunststoff "geschweißte" Winzling mit Nanotech-Motor und eigener Brennstoffzelle ausgestattet werden kann. Und wenn man diesen Gedanken noch ein bisschen weiter spinnt, bekommt man vielleicht irgendwann statt einer Operation nur noch eine Spritze mit Nano-Robotern injiziert, die ferngesteuert krankes Gewebe entfernen, verstopfte Arterien putzen oder Tumore zerstören. Mit finanzieller Unterstützung des österreichischen Wirtschaftsministeriums und des Landes Niederösterreich entsteht in Wiener Neustadt derzeit ein Forschungs-und Entwicklungszentrum, das sich zur Aufgabe macht, österreichischen Firmen bei Entwurf und Herstellung von Mikro- und Nanotech-Geräten unter die Arme zu greifen. Bei den "Integrated Microsystems Austria" (IMA) sollen auf Auftrag Prototypen konstruiert und gebaut werden, die dann etwa in der heimischen Handy-und Computerproduktion, der Kunststoff-Industrie, der Auto-Elektronik oder in der Medizin zum Einsatz kommen sollen.

Nano-Röhrchen haben durch ihr Gitterschema eine extreme Stabilität
Picture by IMA

Gerade in der Medizintechnik sieht Dr. Aleksandar Vujanic, Assistent an der Technischen Universität Wien und zukünftiger technischer Leiter der IMA, die große Chance Österreichs: "Herzschrittmacher, implantierbare Hörhilfen oder moderne Katheter-Technik. Da tut sich ein Nische für österreichisches Know-how auf, in der wir weltweit an die Spitze gelangen können. Gerade in der Medizin liegt eines der interessantesten Anwendungsgebiete der Mikro- und Nanotechnologie. Jeder zukünftige Eingriff in den menschlichen Körper kann durch diese extreme Miniaturisierung der Geräte sehr viel schonender werden."

Schonender sind die technologischen Winzlinge nicht nur für den Menschen, sondern nach einer einfachen Rechnung auf jeden Fall auch fürs Geldbörsel. Denn Kleinst-Maschinen brauchen nicht nur weniger Energie, weil in diesen Größenbereichen der Physik Schwerkraft und Reibung fast keine Rolle mehr spielen, sie lassen sich auch bedeutend einfacher, schneller und daher billiger produzieren.

Der gebürtige Wiener Wilhelm Gauster ist stellvertretender Direktor für Physik und Chemie in den berühmten "Sandia National Laboratories" in den USA: "Heutzutage ist es bei uns schon möglich, 3-zylindrige Elektro-Dampfmaschinen, den Bruchteil eines Millimeters groß, mit einem speziellen Ätzverfahren aus Poly-Silikon herzustellen. Dabei wird Wasser in den Mikrokompressoren durch eine geringe elektrische Spannung aufgeheizt und verdampft. Durch die Kapillarwirkung stoßen die Kolben wieder zurück, sobald der Strom abgeschaltet wird."

Zahnräder, Schaltungen, künstliche Muskeln, superstabile Grafit-Hohlziegel – sogenannte Nano-Tubes, winzige Messgeräte, sogar Kleinst-Getriebe gehören zum Repertoire der Mikro-Ingenieure, und der zukünftigen Entwicklung scheint tatsächlich erst durch die Größe der einzelnen Atome als Bausteine eine natürliche Grenze gesetzt zu sein.

Sechseckige "Waben" wie im Bienenstock ergeben ein platzsparendes, hochfestes Kohlenstoff-Gitter
Picture by IMA

PC-Riese IBM stellte kürzlich in der Schweiz die übernächste Generation von Speichermedien mit einem Chip-Prototyp vor, der auf nur 2,54 mal 2,54 Zentimetern die unglaubliche Datenmenge von 1024 Gigabyte unterbringen kann. Mit Hilfe von Nanotechnologie, bei der mit mikroskopisch kleinen Maschinen und Gussformen gearbeitet wird, bringt der neue Wunderwinzling sagenhafte 1024 Schreib-/Leseköpfe auf einer Fläche von drei Quadratmillimeter unter. Man kann nur ahnen, welche technischen Möglichkeiten sich eröffnen, wenn solche Chips in ein paar Jahren in Mobiltelefone und Taschencomputer eingebaut werden können.

Bei all der Faszination, die die neue Liliput-Technologie auf Wissenschafter und Laien ausübt, darf man aber wieder einmal eines nicht vergessen: Die winzigen biologischen Systeme der Natur, die in unserem eigenen Körper stecken, überschatten noch immer bei Weitem alles, was der Mensch bis jetzt zu konstruieren imstande ist. Die Ribosomen in jeder unserer Zellen zum Beispiel sind winzigkleine, hocheffiziente Proteinfabriken. Und "Nano-Motoren", die mit biologischem Treibstoff "U-Boote" durch die Blutbahn befördern, gibt es auch längst: Bakterien (etwa 1000 Nanometer lang) verfügen über eine Schwanzgeißel, die von einem äußerst energiesparenden, rund zehn Nanometer großen Rotationsmotor angetrieben wird.

In den Vereinigten Staaten hat nun vor kurzem erstmals ein Forscher erfolgreich einen solchen biologischen Rotationsmotor mit einem ähnlich winzigen Metallzylinder verbunden, und der Motor konnte den Zylinder tatsächlich mit acht Umdrehungen pro Minute bewegen.

Auch in der Wiener Universität für Bodenkultur beschäftigen sich Forschergruppen unter Prof. Uwe Sleytr mit der sinnvollen und funktionstüchtigen Verbindung von Biologie und Elektronik. Dr. Dietmar Pum: "Unser Gebiet heißt hochoffiziell ,Biologische Funktionalisierung von Oberflächen', man könnte aber auch sagen, wir arbeiten an molekularen ,Lego'-Bausteinen." Pum und Co. konstruieren ein "Interface", ein Bindeglied zwischen einer leblosen Unterlage, wie einer Metall-oder Siliziumscheibe und einem lebendigen "Aufbau" wie zum Beispiel Enzymen, das in Zukunft besonders in der Medizin Anwendung finden könnte, weil es Funktionen und Eigenschaften der belebten und der unbelebten Welt zusammenführen und nützen hilft.


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© Eine Reportage von T. Micke (04-08-02) – Kontakt