Nanotechnologie
klein, kleiner, am kleinsten

Uni-Karlsruhe-Emblem aufgebaut aus Gold-Atomen auf Silizium Kantenlänge von 330 nm.

Wissenschaftler wollen nicht immer groß hinaus. Oft sind sie auch an den ganz kleinen Dingen interessiert.
 
von Holger Siebnich, Jan Trogus und Tilman Gutenberg

So beschäftigt sich die Nanotechnik mit der Herstellung von Maschinen und Werkzeugen, die aus einzelnen Atomen konstruiert werden. Dabei müssen die Forscher in Größenordnungen von einem milliardstel Meter vordringen. In diesen Dimensionen geraten selbst die Gesetze der klassischen Physik schnell an ihre Grenze. Quanteneinflüsse müssen berücksichtigt werden. Nicht zu verwechseln ist die Nanotechnik mit der Mikrotechnik, die beispielsweise bei der modernen Chip-Herstellung verwendet wird. Die Strukturen der Nanotechnik sind noch einmal um den Faktor 1.000 kleiner.

Rastertunnelmikroskop: damit werden Atome sichtbar

Um Atome als Bauelemente nutzen zu können, müssen geeignete Instrumente entwickelt werden. Beispiele dafür sind das Rastertunnelmikroskop oder das Atomarkraftmikroskop (AKM), mit denen einzelne Atome bewegt werden können. So können bereits heute Muster aus Atomen gebildet werden, die mit Hilfe von Computern als dreidimensionales Bild sichtbar gemacht werden.

Das Rastertunnelmikroskop »sieht« Atome nicht, sondern »fühlt« sie.

Eines der Haupteinsatzgebiete der Nanotechnik wird die Informationstechnologie sein. Nanoprozessoren, die auf beweglichen Kohlenstoffketten von der Dicke nur eines Atoms arbeiten, könnten tausendmal kleiner gebaut werden, als herkömmliche Siliziumchips. Dementsprechend kürzer bräuchten die Informationen, um an ihren Bestimmungsort zu gelangen. Rechenoperationen könnten um ein Vielfaches schneller ausgeführt werden. Eine binäre Operation wird dabei als die An- oder Abwesenheit eines einzelnen Atoms definiert, weshalb auch Speicherelemente von bisher unerreichter Dichte möglich werden: Das Wissen dieser Welt auf ein paar CDs.

Doch auch in vielen anderen Zweigen der Wissenschaft hält die Nanotechnik Einzug. So werden auf einmal Science-Fiction Visionen, wie etwa der Film "Fantastic Voyage" aus dem Jahr 1966, in der Medizin reales Forschungsziel. Winzige Nanomaschinen werden vielleicht künftig in unsere Blutbahnen gespritzt werden, um dort Gerinsel zu zerstören oder Verkalkungen zu beseitigen. Bereits Realität sind Sensoren, die den Blutdruck in den Arterien messen können. Operationen durch Öffnungen von nur zwei Millimeter Größe sind bereits heute möglich.

Die Nanotechnik ist ein Schlüssel für Innovationen in den Wissenschaften. Neue Motoren bewegen Materialproben oder Instrumente mit der Schrittlänge von Atomen. Winzige Greifer und andere Werkzeuge können Mikrostrukturen präzise bearbeiten. Die Welt der kleinen Dinge wird geformt und nicht mehr nur betrachtet.

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Interview mit Dr. Christian Röthig

Dr. Christian Röthig.

"Karlsruhe wird eine der wichtigsten Regionen für Nanotechnologie in Europa."

Der promovierte Physiker kam über die Stationen Osnabrück, Münster, England, USA und Frankreich nach Karlsruhe. Seine Tätigkeit als Manager des Center for Functional Nanostructures umfasst Verwaltungsaufgaben, Öffentlichkeitsarbeit und vergleichbares. Er forscht selbst nicht mehr, dazu ist er durch seine administrative Aufgabe zu sehr ausgelastet. Am CFN wacht er über 200 Mitarbeiter und Techniker, darunter 1 Nobelpreisträger und fünf Leibnizpreisträger. Seine Hauptaufgabe besteht darin, so sagt er selber: 'die Lehrenden zu entlasten, damit diese sich aufs Lehren und Forschen konzentrieren können.'
 
von Holger Siebnich, Jan Trogus und Tilman Gutenberg

Redaktion: Was bedeutet Nano?

Röthig: Nano bedeutet erst mal als Vorsilbe ‚Milliardstel Teil'. Der Begriff kommt aus dem Griechischen, von ‚Nanos - der Zwerg', er meint für uns im Sinne von Nanometer eine Längenskala auf der sich atomare Prozesse abspielen. Ein Nanometer ist ungefähr der Abstand zweier Atome, ein halber Nanometer ist normalerweise der Abstand der Festkörper.

Einzelnes Haar 300-fache Vergrößerung, Elektronenmikroskop

Das heißt, wir bewegen uns auf der Skala von einigen Atomen, von einigen zehn Atomen, aber in jedem Falle unter einem Mikrometer. Also unter 2000 Atomen. Wenn sie sich ein Haar nehmen und dieses Haar der Länge nach fünfzigtausendmal teilen, dann haben sie ungefähr einen Nanometer. Also fünfzigtausend gleiche Teile, nicht quer, sondern wirklich der Länge nach spalten, dann bekommt man ungefähr einen Nanometer. (Einen Größenbereich, der 1000fach kleiner ist als derjenige derzeitiger Bauelemente des Mikrometerbereiches (1nm entspricht dem millionsten Teil eines mm) Anm. d. Red.)

Redaktion: Was bedeutet die Erfindung des Rastertunnelmikroskops für die Nanotechnologie, wo sind die Ursprünge der Nanotechnologie zu suchen?

Röthig: Die Nanotechnologie ist eine sehr alte Wissenschaft, da gab es die ersten Ansätze schon im Altertum. Man hat es noch nicht Nanotechnologie genannt, aber die Bearbeitung kleiner Objekte hatte damals schon, z. B. für das Färben von Glas oder andere kultische Zwecke, eine Bedeutung. Damals natürlich ohne das man wusste, dass es sich um Nanotechnologie handelt. Nach und nach ist immer mehr Nanotechnologie hinzugekommen. Und die Erfindung des Raster - Tunnel - Mikroskops vor mittlerweile fast 20 Jahren hat eigentlich dazu geführt, dass zum ersten Mal atomare Strukturen, ‚sichtbar' wurden. Sichtbar aber bitte nicht im Sinne, wie man beispielsweise bei einem Bild von sichtbar spricht. Das Rastersondenmikroskop, in einer anderen Version des Rastertunnelmikroskops, ist eine abtastende Methode. Das Besondere daran, und warum es einen Nobelpreis dafür gab, war eigentlich, dass man mit einem damaligen Credo gebrochen hat. Nämlich, dass Mikroskope immer größer und komplizierter werden mussten. Es gab damals eine weltbekannte Schule der Elektronenmikroskopie die etwa sagte, wenn man mehr sehen möchte, dann macht man das Elektronenmikroskop größer. Dagegen wurde ein ganz anderer Ansatz verfolgt und eine Maschine gebaut, die wesentlich produktiver, und natürlich wesentlich billiger war, und dabei gleiche Ergebnisse lieferte.

Konzeption eines Rastertunnelmikroskops für den Einsatz im Ultrahochvakuum, die es ermöglicht Oberflächen bis hin zu atomaren Dimensionen abzubilden

(Am 18. März 1981 gelang es zum ersten Mal, die Abhängigkeit des "Tunnelstromes" vom Abstand einer extrem feinen Spitze von einer Oberfläche nachzuweisen. Kurze Zeit darauf konnten erstmals atomare Stufen auf einer Oberfläche gezeigt werden. 1985 schließlich wurde die atomare Auflösung des Rastertunnelmikroskops einhellig anerkannt. Ein Jahr später wurden Gerd Binnig und Heinrich Rohrer vom IBM Forschungslaboratorium Zürich für ihre Arbeiten mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet. Anm. d. Redaktion)
Und aus dieser Erfindung heraus hat sich eine ganze Schule von mikroskopischen Methoden entwickelt, die unsere Kenntnisse von Oberflächenstrukturen und von der Struktur nanoskaliger Objekte entscheidend erweitert hat. Denn diese Methoden sind nicht nur in der Lage ein Objekt abzubilden, also die räumliche Verteilung der Atome an der Oberfläche darzustellen, sondern auch beinahe jede Eigenschaft die eine Oberfläche hat, oder die ein Atom an der Oberfläche hat, darzustellen. Also nicht nur, dass das Atom da ist, sondern auch interatomare Kräfte, magnetische Kräfte, elektrische Kräfte usw., d. h. sie können über so ein Atom oder so eine Struktur von Atomen praktisch jede Eigenschaft abfragen mit einem solchen Mikroskop. Das hat dazu geführt das in der heutigen Sprechweise die Nanoanalytik fast nur noch Rastersondenmikroskope umfasst, was natürlich nicht korrekt ist. Es gibt noch wesentlich mehr analytische Methoden, aber Rastersondenmikroskope sind die bekanntesten oder eben diejenigen, die die schönsten Bilder liefern.

Eine lithographische Aufnahme

Redaktion: Welche weiteren technischen Geräte werden am CFN benutzt?

Röthig: Die bereits erwähnte Elektronenmikroskopie, wir haben hier am CFN ein Institut angeschlossen, sozusagen den Vorgänger des CFN, das LEM (Laboratorium für Elektronenmikroskopie) unter Leitung von Frau Prof. Gerthsen. Teile des LEM überdecken sich mit den Aufgaben des CFN, wir werden auf die analytischen Fähigkeiten dort stark zurückgreifen. Dazu kommen viele Präparationsmethoden, das fängt an mit verschiedenen lithographischen Verfahren, es gibt strukturierende Verfahren über Sondenmikroskopie. Es gibt aber auch, wir haben ja einen großen Bereich der Chemie mit im CFN, synthetische Gruppen, die sich vor allen Dingen mit der Herstellung von chemischen Nanostrukturen beschäftigen.Es gibt dann einen Bereich der Elektrotechnik, der sich damit beschäftigt wie man aus den erzeugten Strukturen und Objekten letztendlich Dinge macht, die man verkaufen kann, die eine Funktion haben, die man auch anschließen kann an die Aussenwelt. Über die Geräte hinaus gibt es noch viele theoretische Gruppen die viel Rechenkapazität benutzen um die Strukturen die hier geschaffen wurden zu verstehen und um ihr Verhalten vorherzusagen.

Nanotubes

Redaktion: Was bedeutet es, sei es theoretisch oder praktisch, in so winzigen Dimensionen zu arbeiten, wie verhalten sich die Materialien wenn man sie verarbeitet?

Röthig: Die Materialien verhalten sich natürlich anders auf der kleinen Skala, das ist ja
gerade die Stoßrichtung unseres Zentrums. Dabei gibt es zwei unterschiedliche Dinge die passieren kön-nen. Zum einen haben sie bei dieser Verkleinerung der bearbeiteten Materie Effekte, die sind einfach graduell. Wenn sie überlegen, wenn sie einen Körper haben, dann hat dieser Körper normalerweise ein Volumen und Eigenschaften die zu diesem Volumen gehören, und er hat eine Oberfläche und Eigenschaften die zu dieser Oberfläche gehören. Zum Volumen gehört beispielsweise Gewicht. Wenn sie Materie kleiner machen, dann wird die Oberfläche relativ zum Volumen immer größer, d.h. das Verhältnis von Oberfläche zum Volumen ändert sich. Das geht soweit, dass sie bei nanoskaligen Objekten eigentlich nur noch Oberfläche haben. Andersherum, Eigenschaften die das Volumen betreffen werden nahezu bedeutungslos. Alles was nanoskalig ist, ist für uns gewichtslos Wichtiger dagegen werden Eigenschaften die mit der Oberfläche zu tun haben, wie zum Beispiel Haftung. Nanoskalige Objekte haften an fast allem, sie fallen nirgendwo mehr runter, als ein Beispiel. Was uns am CFN vor allen Dingen interessiert sind aber neue Eigenschaften, die nicht graduell entstehen und die makroskopisch nicht zu beobachten sind. Das sind vor allen Dingen Eigenschaften aus dem optischen und elektronischen Bereich. Die elektronischen Eigenschaften sind so zu verstehen das wir es mit nanoskaligen Ein Beispiel: Nanoskalige Objekte haben praktisch kein Gewicht mehr. Alles was nanoskalig ist, ist für uns gewichtslos Wichtiger dagegen werden Eigenschaften die mit der Oberfläche zu tun haben, wie zum Beispiel Haftung. Nanoskalige Objekte haften an fast allem, sie fallen nirgendwo mehr runter, als ein Beispiel. Was uns am CFN vor allen Dingen interessiert sind aber neue Eigenschaften, die nicht graduell entstehen und die makroskopisch nicht zu beobachten sind. Das sind vor allen Dingen Eigenschaften aus dem optischen und elektronischen Bereich. Die elektronischen Eigenschaften sind so zu verstehen das wir es mit nanoskaligen Objekten zu tun haben, die nur noch sehr wenige Elektronen enthalten, also Einzelelektroneneffekte oder Wenigelektroneneffekte. Das heisst, dass wir uns in den Bereich der Quantenmechanik begeben und direkt auf die Quantisierung der Materie hinzielen. Optische Eigenschaften sind so zu verstehen, dass wir in einem Bereich arbeiten der kleiner ist als die Wellenlänge des Lichtes und dort hat Licht normalerweise sehr seltsame Eigenschaften. Was man so aus der Schule kennt das sind Beugungsphänomene, aber wir arbeiten in einem Bereich der noch wesentlich kleiner ist als das. Normalerweise passt Licht da gar nicht so richtig rein.

Redaktion: Gelten in diesen nanoskaligen Bereichen die Regeln der klassischen Physik überhaupt noch?

Röthig: Sie gelten natürlich, man muss sie oftmals nur anders interpretieren. Das Beispiel habe ich genannt, das ‚Volumen-Oberfläche' Verhältnis ist natürlich eine rein klassische Größe. Es hat eben gewisse Konsequenzen wenn man das runterskaliert auf den nanoskaligen Bereich. Genauso wichtig, oder parallel zur klassischen Physik, tritt natürlich die Quantenmechanik. Das heißt, die Entwicklung der theoretischen Physik, die sich vor allen Dingen um die Quan-tenstruktur von Energie, von Impuls, von Materie kümmert, und die Fragen beantwortet die sogar viele philosophische Richtungen beeinflusst haben. Die gerade diese Quantenstruktur in den Vordergrund stellt und die Effekte vorherzusagen versucht, die wir dann nutzen wollen um funktionelle Strukturen zu erzeugen.

Kontrolliertes umgehen mit sub-mikropartikeln durch optisch vermittelte Kräfte

Redaktion: Was wird denn am CFN genau geforscht?

Röthig: Wir haben vier Kernforschungsbereiche hier im CFN, die sich mit verschiedenem beschäftigen. Den Kernbereich A mit optischen Nanostrukturen, da geht es vor allem um die Frage wie man Licht leitet und Licht verarbeitet. Das geht zurück auf eine Frage, die auf den ersten Blick trivial scheint, die Frage, wie bekommt man Licht eigentlich um eine Ecke. Nun, sie wissen ja, Licht ist etwas das sich normalerweise linear ausbreitet. Es gibt Spiegel, da wird es geknickt, oder es gibt Oberflächen an denen hat man Lichtbrechung, wenn es in ein dichteres Medium hineingeht. Aber wenn sie versuchen Licht zu biegen, also beispielweise auf eine Kreisbahn zu bringen, werden sie Feststellen, dass sie abhängig vom Radius dieses Kreises immer mehr Verluste bekommen. Das ist natürlich gerade für die heutige Nachrichtentechnologie ganz erfreulich, dass sie Licht in diesem Sinne nicht um die Ecke bekommen, also, sie können diese Sprünge nicht klein machen. Was wir eigentlich möchten ist so eine Art integrierte Optik, also das wir Bauteile zusammen so klein machen wie in der Mikroelektronik, die auch die optischen Eigenschaften wie Nachrichtenübertragung zum Beispiel auf möglichst kleinem Raum vereinigen. Dazu brauchen sie eigentlich Strukturen die äquivalent zur Halbleitertechnologie für Elektronen sind. Was das meint, es geht jetzt etwas in die Festkörperphysik, ist letztendlich die Frage, was ist eigentlich ein Halbleiter für Licht. Die Entdeckung der Halbleiter war die Basis der Entwicklung der modernen Festkörperelektronik und auch Mikroelektronik. Und an diesem Punkt stehen wir jetzt gerade, wir sind also jetzt fünfzig Jahre später und mit diesen fünfzig Jahren Versatz machen wir dasselbe für die Optik. Das heisst, dass wir jetzt optische Halbleiter, Strukturen, gefunden haben, erst vor einigen Jahren theoretisch postuliert und jetzt auch nachgewiesen, die in ein und zwei Dimensionen Halbleitern entsprechende Eigenschaften haben. Heute könne wir sagen, wenn wir jetzt Halbleiter haben und die dotieren können, dann können wir daraus auch die ganzen Varianten machen, die es in der Elektronik schon lange gibt, eine Diode oder einen Transistor. Eine Diode zu haben wäre schon toll, das ist halt ein Gerät, das einen Strom in die eine Richtung durchlässt und in die andere aber sperrt. Und sie können sich vorstellen, was das für Licht bedeuten würde, wenn das Licht nur in einer Richtung durchgelassen würde und in der anderen aber nicht. Wichtiger natürlich für die Nachrichtentechnik sind Transistoren, d. h. Strukturen die in der Lage sind Licht zu schalten. Sonst hat man normalerweise in der Nachrichtentechnik an den Endstellen immer die Umsetzung von Licht in Strom und umgekehrt, über Dioden und entsprechende Sensoren. Das bedeutet natürlich immer ein bisschen Verlust und den Transfer zu verlangsamen. Und den eigentlichen Vorteil von Licht, nämlich die Geschwindigkeit und das eben viel Licht parallel übereinanderliegen kann und sich nicht stört, nicht nutzen zu können. Sie können keine verschiedenen Ströme in einen Draht zusammenführen, die werden sich immer beeinflussen. Bei Licht ist das nicht der Fall. Sie können viele verschiedene Lichtstrahlen zusammen in einer Glasfaser haben, die werden sich nicht beeinflussen. Diese Vorteile werden durch die Schaltstellen ein bisschen ad absurdum geführt. So, das war der erste Bereich mit dem wir uns beschäftigen.

Im zweiten Bereich beschäftigen wir uns mit elektronischen Nanostrukturen, d. h. mit der Frage, wie sich eigentlich die Effekte auswirken, dass wir wenig Elektronen zur Verfügung haben für Leitung und für Speicherung. Im ersten Schritt werden dort elektrische Strukturen erzeugt die entweder einen dünnen Leiter darstellen oder die isolierte Strukturen darstellen wenn es uns zum Beispiel um Kondensatoren geht. Dort werden die Eigenschaften erforscht, vor allen Dingen die Frage, wie beeinflussen sich diese Elektronen gegenseitig wenn sie in solchen kleinen Strukturen sind.

Im dritten Bereich beschäftigen wir uns vor allem mit der Synthetik von Nanostrukturen. Das ist vor allen Dingen ein Bereich der Chemie. Dort werden Cluster erzeugt, also Gruppen von Atomen die irgendwo zwischen einem Molekül und einem Festkörper stehen, dort wo sich Eigenschaften von Festkörpern langsam herauszubilden beginnen. Wo man also übergeht von atomaren Niveaus zu Festkörperbändern. Das ist ein ziemlich spannender Bereich weil dort viele Dinge im Fluss sind, auch Eigenschaften können sich spontan ändern wenn sie die Anzahl der Atome nur um eins erhöhen oder erniedrigen. Wir beschäftigen uns dann damit, dass diese Strukturen nicht nur erzeugt werden, auf chemische oder physikalische Art und Weise, sondern auch passiviert werden, mit Hüllen umgeben werden, damit sie nicht im Kontakt mit anderen dieser Cluster gleich wieder zerfallen. Hier wird versucht wie man diesen Clustern schon Eigenschaften mit auf den Weg geben kann, die dann nachher für elektrische oder optische Eigenschaften interessant werden. Zum Beispiel, dass man diesen Clustern schon von Haus aus ein halbleitendes Verhalten mitgibt.

Im vierten Bereich beschäftigen wir uns schließlich mit nanoskaliger Materie, in dem Sinne, das wir uns nicht um einzelne Partikel kümmern sondern um die Frage wie sich eigentlich Ensembles von Partikeln verhalten, sprich poröse Materialien oder Fragen der Benetzung oder des Schmelzens von Gruppen von Partikeln. Das heisst, wie verhindern wir eigentlich, das wenn es Partikel gibt, und diese Partikel zusammenkommen, sie sich verklumpen bzw. sich zu Ruhestandpartikeln wieder aufbauen. Das sind so grob gesprochen die vier Bereiche, dazu kommen noch zwei zentrale Bereiche, der Wichtigere der beiden ist der Bereich des Nanostructure Laboratorys, also eines Servicebereiches der viele Einrichtungen umfasst. Etwa die Aufbauten die dort zum Teil zusammengefasst sind und als Infrastruktur von allen Gruppen genutzt werden können. Das betrifft Elektronenmikroskopie, Lithographie usw. Und dann als ganz kleiner Bereich noch ein bisschen Verwaltung, da wird eben geschaut, dass alles läuft.

Redaktion: Was sind funktionelle Nanostrukturen, was zeichnet sie aus, wie funktionieren funktionelle Nanostrukturen?

Röthig: Das ist eine relativ schwere Frage: "wie funktionieren Nanostrukturen"? Sie funktionieren. Oder was sie eigentlich bedeuten. Genaugenommen hat man eine Menge von funktionellen Na-nostrukturen schon jetzt, ohne das man das so merkt. Denn Nanotechnologie, und das ist das Schöne daran, ist eine Technologie die nicht in der Zukunft stattfindet, sondern jetzt schon da ist. Wenn sie überlegen, dass die heutigen mikroelektronischen Bauteile viele Elemente ent-halten, die eigentlich schon Nanotechnologie sind, nur noch von niemand bemerkt wurden, dann ist es schwer diese Frage so einfach zu beantworten. Die grobe Antwort darauf ist ei-gentlich, es sind alle Materialien und Strukturen die sich anders Verhalten als man es erwarten würde. Dabei sind diese aber so verschieden und vielschichtig, dass die Frage allgemein zu beantworten sehr schwer ist und eigentlich auch nicht so allgemein gegeben werden kann.

Vielleicht anhand von einem Beispiel...
Fangen wir mal so herum an. Es gibt inzwischen, zumindest im Labormaßstab, Speicherbauelemente, also RAM, die mit nanoskaligen Funktionselementen funktionieren. Dort werden noch ungefähr fünf Elektronen pro Bit zur Speicherung benötigt. Der Vorteil hiervon ist nun, anders als bei den ‚normalen' Bauelementen, diese Geräte funktionieren nicht schlechter wenn sie kleiner werden, sondern besser. Sie werden immer besser je kleiner sie werden, dadurch das ein paar quantenmechanische Effekte geschickt ausgenutzt werden. Das gleiche betrifft Temperaturabhängigkeit. Man muss dann nicht mehr wegen den Temperaturen alles schön langsam und still machen, also kalt, damit es funktioniert, sondern es kann durchaus auch bei Raumtemperatur funktionieren. Das sind so einige der elektronischen Vorteile. Die optischen Strukturen sind noch etwas weiter weg von der Anwendung, da hatte ich ja bereits das Licht erwähnt. Wenn sie an optische Elemente denken arbeiten sie im Grunde mit Technologie die mehrere hundert Jahre alt ist. Alles was mit Licht passiert ist eigentlich noch so wie vor, na ja, dreihundert Jahren als die ersten Mikroskope gebaut wurden.
(Das erste Mikroskop wurde wahrscheinlich vom Brillenschleifer Hans Janssen um das Jahr 1595 in Middelburg, Holland konstruiert und gebaut. Auch Galileo Galilei experimentierte bereits um 1610 mit dieser Technik. Anm. d. Redaktion)

Sie haben Linsen, Glasfasern, normale optische Elemente, da ist nicht viel passiert. Sie arbeiten im Grunde mit, na ich will nicht sagen mit Fensterscheiben, aber eben mit Strukturen, die sich über viele, viele Jahre nicht geändert haben. Jetzt kommen wir an einen Punkt an dem wir sagen können, wir können Strukturen erzeugen die es uns möglich machen mit Licht ein bisschen kreativer zu arbeiten als es bisher möglich war. Bis hin zu einem Punkt an dem wir eines schönen Tages dann sein werden, an dem wir optische Datenverarbeitung haben. Das heißt, elektronische Strukturen mehr oder weniger eins zu eins übertragen können auf optische Strukturen und dann auch entsprechend dort schalten, speichern usw. können. Mit dem Geschwindigkeitsvorteil der optischen Datenübertragung und dem Vorteil, dass wir in einem Bauelement viele verschiedene Datenkanäle gleichzeitig verarbeitet können, da sich Licht nicht gegenseitig beeinflusst.

Redaktion: Was kann man von der Forschung des CFN für den Alltag erwarten, was findet man da wieder, vielleicht ohne das man es weiß, ohne das man es merkt? Gehe ich mir einen neuen Computer kaufen und habe den dann dem CFN zu verdanken?

Röthig:Das ist vielleicht bisschen viel gesagt. Das CFN ist ja als DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft) geförderte Einrichtung erst mal eine Einrichtung der Grundlagenforschung. Das heisst, das was wir hier erforschen schafft Grundlagen für spätere, angewandte Forschung die dann zu Produkten führt. Ich würde nicht erwarten das sie vor Ablauf von etwa zehn Jahren, zum Beispiel im Bereich der optischen Elemente, etwas spüren von den Ergebnissen die hier im CFN erzielt wurden. Nichtsdestotrotz, wenn wir's nicht machen würden, würden sie gar nichts davon spüren, nie, insofern ist die Arbeit wichtig. In welchen Bereichen... Vor allen Dingen die Nachrichtentechnik und die Elektronik sind für uns die entscheidenden Märkte, die im Hintergrund stehen. Materialien wird es dazu auch noch geben, die sind allerdings ein bisschen im Hintergrund. Es wird keine Produkte geben aus dem CFN, zumindest keine unmittelbaren Produkte. Es wird nichts geben, dass sie aus dem Regal ziehen und sagen können ‚Aha, das ist CFN, das steht drauf als großes Label "Made by CFN"'. Es wird aber Produkte geben, nicht im nächsten Jahr und nicht in den nächsten zwei Jahren, sondern in fünf bis zehn Jahren, die durch die Erkenntnisse die im CFN als Grundlagenforschungsinstitut gewonnen wurden, verbessert wurden. Und in der Regel wird man auch nur eine qualitative Verbesserung der Produkte spüren, in vielen Produkten die sie heute haben spüren sie auch nicht, das dort Nanotechnologie drin ist. Obwohl sie schon zu wesentlichen Verbesserungen geführt hat. Es werden auch keine dramatischen Verbesserungen sein. Das wir im Rechnerbereich eine Verdopplung der Geschwindigkeit und der Speicherkapazitäten usw. alle zwei Jahre haben, das ist eh schon dramatisch, aber daran hat man sich inzwischen gewöhnt. Allerdings, allein um diese Geschwindigkeit aufrecht zu erhalten bedarf es einigen Forschens. Insofern wird man nicht unmittelbar den Nutzen dokumentieren können, den die Endverbraucher durch die Arbeit des CFN haben. Die Erkenntnisse des CFN als Grundlagenforschungs- institut werden von anders orientierten Forschern und Forschungsgruppen aufgegriffen werden, die dann als Nachnutzer die Grundlagenerkenntnisse umsetzten in Produktnahe Forschungsergebnisse. Diese werden dann von Firmen aufgekauft und zu Produkten gemacht usw. Also es ist ein ganzer Prozess, der natürlich angestoßen werden muss um hinten die Ergebnisse zu haben. Das wird auch bei einigen Bereichen die wir haben schneller gehen als bei anderen. Im Bereich der Elektronik, der elektronischen Bauteile sind wir wesentlich näher am Markt dran als bei optischen Bauelementen. Das dokumentiert man auch dadurch, dass wir hier im Zentrum die elektrotechnischen Fakultäten direkt mit drin haben, also unsere angewandten Gruppen gleich dabei haben. Die aus den Strukturen die wir auf der Grundlagenforschungsseite entwickelt haben, in den Bezügen zur Quantenelektronik dann entsprechende Bauelemente erzeugen.

Redaktion: Sie haben ja Arbeitsgruppen aus den verschiedensten Bereichen, was bedeutet dieses interdisziplinäre Arbeiten für die Forschung am CFN?

Röthig: Es geht nicht ohne. Auf der Skala von Atomen verschwimmen die Grenzen zwischen den verschiedenen Disziplinen. Physik, Chemie werden nur zu Seiten der gleichen Medaille. Wenn Chemie sich auf der Basis von Atomen abspielt, sind physikalische Gesetze ausschlaggebend. Das gleiche trifft zu für die Elektrotechnik. Elektrotechnik in so kleinen Dimensionen wird bestimmt durch physikalische Gesetze. Das heißt dort, auf dieser kleinen Skala treffen sich alle Disziplinen. Und im Grunde kann man nur, wenn man alle Disziplinen mit im Boot hat Dinge entwickeln, Dinge erforschen, die für einzelne Disziplinen relevant sind. Es ist sehr befruchtend, Dinge aus unterschiedlichen Blickwinkeln zu sehen, und das macht natürlich auch den Charme des Arbeitens hier vor Ort aus.

Nano Valley Oberrheingraben: Basel, Straßbourg, Freiburg, Karlsruhe

Redaktion: Was bedeutet es für die Universität Karlsruhe, bzw. das Land Baden - Württemberg, über ein solches Zentrum zu verfügen?

Röthig: Das das Zentrum hier in Karlsruhe eröffnet worden ist, ist eigentlich eine konsequente und langfristige Entwicklung des Standortes Karlsruhe in Richtung Hochtechnologie und Nanotechnologie. Das Zentrum ist nicht zufällig hierher gekommen, sondern es war in der Tat gut begründet, es hier aufzumachen. Es ist eine der größten Investitionen an einem Ort, in Deutschland, im Bereich der Nanotechnologie und stellt damit für die Region und das Land Baden - Württemberg eins der wichtigsten deutschen Zentren für Nanotechnologie dar. Es gehört damit in den Plan des Landes Baden - Württemberg sich in den Bereichen der Hoch-technologie in Deutschland und auch in Europa, gar keine Frage natürlich, gezielt zu positionieren. Auch um die wirtschaftliche Fähigkeit des Landes zu erhalten, die vor allen Dingen auf der Umsetzung der Hochtechnologie in Produkte beruht. Es bedeutet auch, das wir die Möglichkeit haben uns in einem nahen europäischen Umfeld zu positionieren.
Ein Stichwort hier ist ‚Nano Valley', also den Oberrheingraben mit seinen fünf bis sechs dazugehörenden Universitäten, als ein Gebiet in Europa zu verstehen, das gemeinsame Anstrengungen unternimmt um in einem Hochtechnologiefeld präsent zu sein. Es meint fernerhin natürlich einen Technologiepool hier in der Region, einer starken Technologieregion, man wird dann noch weiter den Fokus auf Technologie im Bereich der Elektrotechnik und der optischen Technik verstärken. Ich gehe davon aus, dass dies hier in Karlsruhe eine der wichtigsten Regionen für Nanotechnologie in Europa wird. Und ich denke auch, dass die zukünftigen Investitionen, und dass wir vor allen Dingen zeigen werden, dass die Erwartungen die in uns gesetzt werden auch umsetzbar sind.

Redaktion: Welche Chancen für die Zukunft bietet die Nanotechnologie und welche Risiken birgt sie?

Röthig: Die Risiken sind eigentlich überschaubar, wenn man jetzt ein bisschen von dem weggeht was man in den Zeitungen liest, das meiste davon ist leider ziemlicher Unfug. Genaugenommen entstehen die Risiken dadurch, dass man lernt genauer hinzuschauen. Eine Diskussion die momentan sehr wichtig ist, ist die Diskussion über Autoabgase, genaugenommen über Ruß. Man lernt, nanoskalige Partikel in Gasen können durchaus schädigen, haben schon immer geschädigt, aber jetzt versteht man allmählich warum sie schädigen. Man hat jetzt erst die Möglichkeit, dieser Schädigung entgegenzuwirken. Das ist sozusagen ein Risiko das zu einer Chance wird. Die Chancen der Nanotechnologie sind schwer abzusehen. Man hat zum einen die Möglichkeit jetzt endlich auf atomarer Skala Materie beinahe beliebig zu beeinflussen. Das führt zum Einen zu neuen Bauelementen, wie bei uns, aber auch durch die Verbindung zu biologischen und medizinischen Fragestellungen zu neuen Therapiemethoden. Da sind einige jetzt schon in klinischer Erprobung, wie zum Beispiel das gezielte Verabreichen von Medikamenten, also nicht mehr Medikamente die im ganzen Körper wirken, sondern nur noch aggressiv an einigen Stellen. Es wird neue Behandlungsmethoden geben, auch apparativ. Es wird, andersherum, eine Befruchtung der klassischen anorganischen Fächer geben, anorganische Chemie oder Physik von Seiten der Biologie. Es gibt hier auch schon Anstrengungen, die versuchen biologische Prinzipien auf unbelebte Materie zu übertragen. Das sind vor allen Dingen Prinzipien der Vervielfältigung, das hat entscheidende Auswirkungen auf Fragen der Produktionsprozesse zum Beispiel. Was bisher gemacht wird in der Produktion, ist, das sie sich ein Stück Metall nehmen und dann aus diesem Metall ein Werkzeug machen dadurch das sie mit einem Hammer draufrumhauen. Also sie geben einem amorphen Stück eine Form von aussen vor, indem sie es beeinflussen. Es wäre natürlich wesentlich eleganter wenn dieses Stück Metall von sich aus schon wüsste wie es am Ende auszusehen hat. Das meint eigentlich Selbstorganisation, das heisst, man darf sich jetzt nicht vorstellen das biologische Roboter entstehen die sich wild vermehren und, äh, das werden wir zum Sanktnimmerleinstag nicht hinbekommen, das ist reine Fiction, nicht mal Science Fiction. Aber was passieren kann ist, das wir Strukturen vorzugeben beginnen, molekularen Bauelementen zum Beispiel, und das sich Dinge selbst bilden, das sich Schaltkreise für elektronische Strukturen selbst bilden, und damit die Produktionsprozesse wesentlich preiswerter werden. Eine Sache die sie vielleicht gehört haben, dieses Ende der Fahnenstange was die Integration elektronischer Bauelemente angeht, das liegt nicht nur daran, das sie nicht mehr kleiner werden können, sondern vor allen Dingen auch daran, das irgendwann die Investitionen für Fabriken die immer noch kleinere Bauteile herstellen, zu groß werden. Denn die Höhe der Investitionen wächst fast genausoschnell wie die Integration von Bauteilen. Das heisst, wir kommen mit der bisherigen Weiterentwicklung der Erzeugung dieser Strukturen an eine Grenze die wir nicht mehr überschreiten können, aus allein ökonomischen Gründen, nicht aus technischen Gründen. Dort würde es uns helfen wenn wir dann preiswertere Produktionsverfahren entwickeln können die auf biologischen Prinzipien fußen. Aber das ist eine Vision, die kommt aus dem Bereich der Biochemie, insofern nichts was uns hier ganz unmittelbar betrifft.

Redaktion: Wenn man jetzt Technologieentwicklung ganz generell betrachtet, über die Erfindung des Rades, der Dampfmaschine, die industriellen Revolutionen, ist dann mit Nanotech-nologie, wenn man sie in diesem Kontext überhaupt nennen darf, das Ende dieser Fah-nenstange erreicht oder kommt dann die nächste technische Revolution?

Röthig: Ich kann ihnen die Frage in zweierlei Hinsicht beantworten, die Frage ist ein bisschen wie ‚Ist mit der Chemie das Ende der Fahnenstange erreicht?', denn Chemie natürlich beeinflusst A-tome genauso wie jetzt Nanotechnologie, macht Verbindungen. Die Fahnenstange ist aber so lang, da ist das Ende noch lange nicht in Sicht. Es ist zwar nur eine Chemie, die wir haben, aber die hat sich immer weiterentwickelt und ist immer komplexer geworden. Das gleiche wird der Nanotechnologie passieren. Nanotechnologie ist letztendlich wiederum nur eine Mischung aus Chemie, Physik und weiteren Disziplinen und entwickelt diese fort oder entwickelt diese im Kontext fort. Auf der anderen Seite natürlich, wenn sie an eine räumliche Dimension denken, ist mit der Nanotechnologie in der Tat Schluss, kleiner als Atome, da ist momentan nicht zu erkennen, das es dort Partikel gibt die wir für noch kleinere Strukturen nutzen können. Es gab mal Anstrengungen, Überlegungen theoretischer Art, noch kleinere Atome zu erzeugen, aber das sind sehr künstliche Strukturen die einfach in der Natur in der Menge nicht vorkommen, das wir sie für technologische Entwicklungen nutzen könnten. Also, ja und nein, mit der Nanotechnologie ist eine weitere Verkleinerung nicht mehr möglich, allerdings haben wir die Möglichkeiten der Nanotechnologie erst ganz wenig angekratzt. Ich glaube nicht, das wir in den nächsten fünfzig oder hundert Jahren das Ende der Nanotechnologie erreicht haben werden, in dem Sinne das wir alles verstanden und alles genutzt haben was Nanotechnologie kann, genauso wenig wie wir in den nächsten fünfzig oder hundert Jahren das Ende der Chemie oder das Ende der Physik erreicht haben werden.

Redaktion: Welche Bedeutung kommt der Nanotechnologie in Relation zu den oben genannten Technologieschritten zu, ist sie beispielweise mit der Dampfmaschine vergleichbar?

Röthig: Das ist eine schwere Frage. Das ist ein bisschen sozialökonomisch. Die kann man zum einen schwer abschätzen natürlich, nun, mit was ist die Nanotechnologie zu vergleichen, mit der Dampfmaschine würde ich nicht sagen. Die Dampfmaschine hatte dann doch, einfach durch die Ablösung menschlicher oder tierischer Arbeitskraft, etwas mehr Auswirkungen. Vielleicht mit einer Sache wie, versuchen wir es mal, das Bild hinkt wie immer natürlich, vielleicht so ein bisschen wie die Ammoniaksynthese. Wesentlich für Gülle, Ammoniaksynthese. Klingt erst mal unspektakulär. Das man sagt, na gut, nun machen wir jetzt halt ein neues Molekül, und hat einen Pfad gefunden es zu erzeugen. Ähnlich bei Nanotechnologie, wo verschiedene Atome verbunden werden zu Bauteilen und Strukturen. Aber die Ammoniaksynthese lieferte die Basis für die Erzeugung von Kunstdünger und schuf damit die Erweiterung, hat die Landwirtschaft nicht neu erfunden, aber hat der Landwirtschaft einen neuen Drive gegeben. Und mit diesem neuen Drive in der Landwirtschaft stellten sich auch gesellschaftliche Entwicklungen ein. So ungefähr muss man sich die Nanotechnologie vorstellen, denke ich. Es ist eine graduelle Verbesserung, es ist nicht dieser Quantensprung wie bei der Dampfmaschine. Es ist eine graduelle Verbesserung aus Ansätzen die auf den ersten Blick unspektakulär wirken, bei der die Auswirkungen erst nach und nach zu spüren sind. Eine Verbesserung, die aber sehr tiefgreifende soziale und ökologische Entwicklungen anschiebt und verursacht. Und die Entwicklungen gerade im medizinischen Bereich zum Beispiel halte ich für sehr schwerwiegend. Wobei sich aber auch erst in den nächsten zehn, zwanzig, dreissig Jahren wirklich zeigen wird, wohin die laufen. Und auch die Entwicklungen in der Produktion und der Produktionsmethoden halte ich für sehr entscheidend. Also ein bisschen Abrücken von der klassischen Schwerindustrie. Insofern, das ist vielleicht ein Vergleich der nicht mehr hinkt, wahrscheinlich werden mich die Leute die etwas davon verstehen, die Sozialwissenschaftler, dafür ans Kreuz nageln, aber so ungefähr ist das vielleicht ein Vergleich.

Redaktion: Wir bedanken uns für dieses Gespräch.

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