Physiker und Chemiker entwickeln in Stuttgart eine neue Generation winziger Schaltelemente Wie Moleküle rechnen lernen

Von Gero von Randow

Biochips? Sind out. Und wenn nicht für die Wissenschaft, dann doch für die Medien.

Das war noch vor ein paar Jahren anders. Damals war die Computerzukunft einfach bio, sogar die Redaktion der Z?(7d Zeitung lief heiß und servierte auf der Titelseite einen Text, der es noch immer verdient, zitiert zu werden: „Wissenschaftler der Uni Wales haben den ersten wirklich intelligenten Computerchip der Welt entwickelt. Computerexperte Simon Jones: Es sind keine herkömmlichen Silicon, sondern Biochips. Die neuen Chips sollen denkende Roboter entwickeln, die lernen und sich selbständig weiterentwickeln können. Diese Superchips steuern biochemische Prozesse, zum Beispiel bei Enzymen in Waschmitteln. Diese wissen dann, wie sie unterschiedliche Schmutzflecken zu entfernen haben " Mit „Silicon" hatten die Kollegen wohl Silizium und nicht den durch Plastikbusen berühmt gewordenen Kunststoff gemeint. Nur leider wurde aus der Sache mit der Wäsche und den denkenden Robotern irgendwie nichts, und der Rummel ging zu Ende.

Allerdings hatten sich einige Wissenschaftler ernsthaft an langfristige Grundlagenforschung begeben. Die Wissenschaft folgt eigenen Gesetzen, nicht primär den Medien. Es ist daher besser, sich seine Neugier zu bewahren und gelegentlich zu fragen: Was ist denn aus alledem geworden? Siehe da: Der Forschungszweig sprießt munter und nährt sogar Hoffnungen auf eine ComputerHardware der Zukunft, die weitaus effektiver wäre als alles, was sich mit Halbleitern jemals erreichen ließe „Molekulare Elektronik" oder auch „Molekülschaltungen", so nennt sich die Bewegung, deren Avantgarde in Japan forscht, in den USA, in Frankreich, Großbritannien, Israel - und in Deutschland.

Die Schalter der heutigen Computertechnik, mit deren Hilfe beispielsweise dieser Text geschrieben wurde, sind Kristalle, in denen sich Bewegungen sehr vieler Elektronen (oder der Stellen, an denen sie fehlen) statistisch zu digitalen Ereignissen summieren - etwa „Spannung hoch" oder „Spannung niedrig". In bestimmten Molekülen hingegen genügt das Wandern eines einzelnen Ladungsteilchens (oder einer lokalisierten Erregung) von einem Ende zum anderen, um sie zwischen zwei meßbaren Zuständen hin- und herzuschalten. Bauelemente aus derartigen Schaltern würden nur wenige Nanometer messen (ein Nanometer ist ein milliardstel Meter), sie wären mithin um mehrere Größenordnungen kleiner als die herkömmlichen Elemente aus Silizium oder anderen Halbleitern. Sollte es irgendwann gelingen, schaltende Moleküle zu einem funktionierenden Rechengebilde zusammenzustecken, dann ließen sich sensationelle Speicherdichten und Rechenzeiten erzielen.

„Biochip ist eigentlich ein irreführender Ausdruck", stellt Franz Effenberger von der Universität Stuttgart richtig „Wir arbeiten mit organischen Molekülen, die wir synthetisieren und nicht etwa aus biologischem Material gewinnen Der Chemiker gehört zu den Leitfiguren der rund achtzig Wissenschaftler, die hier seit sieben Jahren im Sonderforschungsbereich „Physikalische und chemische Grundlagen der Molekularelektronik" arbeiten; die Forschung kostet jährlieh rund zwei Millionen Mark.

Am Sonderforschungsbereich 329 arbeiten vorwiegend praktische Leute. Nicht der Simulationsrechner ist ihre Welt, sondern das Labor. Dort konstruieren sie Moleküle mit Kohlenstoffskelett, die vielleicht als Schalter in Frage kommen, vermessen und beobachten sie „Wir stehen so sehr am Anfang, da& wir bisher keinen Informatiker ins Team geholt haben. Der wäre ja doch bloß frustriert", sagt der Sprecher des Sonderforschungsbereiches, der Physiker Manfred Pilkuhn. Molekülschalter, mit denen in Stuttgart und anderswo experimentiert wird, dürfen wir uns im Prinzip wie Dosentelephone vorstellen: zwei Konservendosen, durch eine gespannte Schnur miteinander verbunden. In die eine Dose sprechen wir hinein, aus der anderen dringt der Schall. Ebenso bestehen auch die molekularen Schalter zunächst aus drei Grundbausteinen: Donor, Brücke und Akzeptor. Der Donor ist der Eingang für das Signal, das verarbeitet werden soll. Es kann elektrisch sein oder optisch, chemisch oder (im Prinzip) akustisch. Entscheidend ist, daß es dem Donorteil des Moleküls Energie zuführt. Nun gibt der Donor die Energie über die Brücke an den Akzeptor weiter, und der strahlt seinerseits ein Signal an die Außenwelt ab. Zu einem Schalter, der wie ein Transistor funktioniert, wird das Molekül, wenn noch ein vierter Baustein in die Brücke eingebaut wird, der auf Kommando den Signalfluß unterbricht oder durchläßt , Soweit die Idee. In Stuttgart gelang es bereits, passende Modellmoleküle zu synthetisieren: Der Donor ist ein Teilmolekül namens Anthracen, das mit Licht energetisch angeregt wer ; den kann. Es gibt den Anregungszustand an die Brücke weiter, die eine vielgliedrige Kette ist; ihr wichtigster Bestandteil sind miteinander verbundene Kohlenstoffatome Über diese Bindungen wandert der Anregungszustand zum Akzeptor, einem Teilmolekül namens Porphyrin - und das wiederum sendet im angeregten Zustand Licht geringerer Wellenlänge aus.

Jahre hatte es gedauert, bis die Stuttgarter diese Konstruktion synthetisieren konnten. Entscheidend war der Nachweis, daß Licht bestimmter Wellenlängen gezielt den Donor anregt und nur ihn. Nun konnte der zweite Schritt getan werden: in die Brücke einen Schalter einzubauen, der das wandernde Signal hemmt oder durchläßt - und trotz unentwegten Hin- und Herschaltens die Brücke intakt läßt. Nach einigen Fehlschlägen fanden die Organochemiker schließlich das Traumpaar: Polythiophene als Brücken (das sind Ketten aus benzolähnlichen Kohlenstoffringen mit einem Schwefelatom darinnen) und als schaltende Brückenkontrolleure sogenannte Fulgide - das sind photochrome Substanzen, sie ändern also ihre Farbe bei Lichteinfall. Mit Fulgiden werden beispielsweise Brillengläser beschichtet, damit sie bei blendendem Licht dunkel werden.