Nanotechnologie

Nanotechnologie beschäftigt sich mit sehr kleinen Strukturen. Ein Nanometer ist ein Millionstel Millimeter. Ein menschliches Haar ist etwa 60.000 bis 80.000 Nanometer dick. Von Nanotechnologie spricht man üblicherweise, wenn Bauteile oder Teilchen kleiner als 100 Nanometer sind. Das Besondere daran ist nicht nur die Kleinheit: In diesem Bereich ändern Stoffe ihre Eigenschaften. Gold ist als Klumpen goldfarben, als winziges Teilchen erscheint es rot. Farbe, Schmelzpunkt und Leitfähigkeit hängen plötzlich von der Größe ab.

Warum Kleinheit die Regeln ändert

Der wichtigste Grund ist die Oberfläche. Zerteilt man einen Würfel immer weiter, bleibt die Menge Material gleich. Die Gesamtoberfläche wächst dabei aber enorm. Ein Gramm Material kann als Nanopulver eine Oberfläche von mehreren Hundert Quadratmetern haben. Chemische Reaktionen laufen an Oberflächen ab, also reagiert Nanomaterial viel bereitwilliger.

Deshalb ist Nanotechnologie wirtschaftlich interessant. Katalysatoren im Auto brauchen weniger Edelmetall, wenn dieses fein verteilt ist. Batterien laden schneller, wenn Ionen kurze Wege haben. Auch die Computerindustrie hängt daran: Moderne Chips werden in Strukturbreiten von wenigen Nanometern gefertigt. Ohne diese Präzision gäbe es keine Prozessoren für KI-Rechenzentren.

Die große Oberfläche hat aber eine Kehrseite. Was leichter reagiert, kann auch leichter schaden. Nanopartikel können über die Lunge in den Körper gelangen. Ihre Wirkung ist nicht bei allen Materialien gut untersucht. Deshalb gibt es in der EU Kennzeichnungspflichten für Nanomaterialien in Kosmetik und Lebensmitteln.

Von oben verkleinern oder von unten aufbauen

Es gibt zwei Grundwege. Der erste heißt Top-down: Man beginnt mit einem großen Stück Material und entfernt gezielt Teile davon. So arbeitet die Chipfertigung. Licht mit sehr kurzer Wellenlänge belichtet eine Schicht auf einem Siliziumplättchen, danach wird das belichtete Muster weggeätzt. Übrig bleiben Leiterbahnen von wenigen Nanometern Breite.

Der zweite Weg heißt Bottom-up: Man lässt Strukturen aus einzelnen Molekülen entstehen. Unter passenden Bedingungen ordnen sich Teilchen von selbst zu Mustern an. Das nennt man Selbstorganisation. Die Natur macht das ständig, etwa beim Aufbau von Zellwänden. Chemiker nutzen dasselbe Prinzip, um Nanoröhrchen oder dünne Schichten wachsen zu lassen.

Sehen kann man solche Strukturen mit gewöhnlichen Mikroskopen nicht, denn dafür ist Licht zu grobkörnig. Man verwendet Elektronenmikroskope oder Rastersondenmikroskope. Letztere tasten eine Oberfläche mit einer extrem feinen Spitze ab, ähnlich wie ein Finger eine Blindenschrift liest. Mit solchen Spitzen lassen sich einzelne Atome sogar verschieben.

Nano in Alltagsprodukten und Schlagzeilen

Viele Anwendungen sind unauffällig. Sonnencreme enthält oft Titandioxid- oder Zinkoxid-Teilchen, die UV-Strahlung blockieren und dabei durchsichtig bleiben. Auf Brillengläsern sitzen Nanoschichten gegen Kratzer und Spiegelungen. Manche Textilien werden wasserabweisend, weil ihre Oberfläche im Kleinen strukturiert ist wie ein Lotusblatt.

In der Medizin dienen Nanopartikel als Transportmittel. Die mRNA-Impfstoffe gegen Covid-19 verpacken ihren empfindlichen Wirkstoff in winzige Fetthüllen, sogenannte Lipid-Nanopartikel. Ohne diese Hülle würde der Wirkstoff im Körper sofort zerfallen. Ähnliche Ansätze erprobt man in der Krebstherapie, um Medikamente direkt zum Tumor zu bringen.

In Wirtschaftsnachrichten taucht der Begriff meist über Halbleiter auf. Wenn von einem „3-Nanometer-Prozess“ die Rede ist, geht es um die Fertigungstechnik moderner Chips. Diese Zahl ist heute allerdings mehr ein Marketingname als eine exakte Messgröße. Ein verbreiteter Irrtum ist zudem die Vorstellung von schwebenden Miniaturrobotern. Reale Nanotechnologie besteht fast immer aus Schichten, Partikeln und Oberflächen, nicht aus kleinen Maschinen.