N A N O T E C H N I K Goldgräber im Zwergenreich

Auf chemischen Wegen in den Nanokosmos: Forscher eröffnen eine neue Welt der Werkstoffe

Eine dünne Fensterscheibe, die aussieht wie jede andere - doch auf Knopfdruck nimmt sie plötzlich eine blaue Tönung an. Das Glas wird künftig sonnenheiße Gebäude komfortabler machen und gleichzeitig den Energiehunger der Klimaanlagen senken. Denn es kann einfallendes Tageslicht stufenlos herunterdimmen auf 15 Prozent und die Wärmestrahlung sogar auf null reduzieren, ohne den Durchblick zu stören.

Ein neuer Baustoff - so stabil, dass ein Unimog darüber fahren kann. Auch ein starker Gasbrenner vermag ihn nicht in Brand zu setzen. Dabei besteht das leichte und umweltfreundliche Material fast ausschließlich aus Stroh und Hanf.

Eine CD aus klarem Kunststoff. Kristallharte Korundspitzen schleifen 1000-mal darüber - doch die Oberfläche des leichten optischen Materials widersteht dem Angriff besser als hartes Glas.

Die drei so verschiedenen Materialien haben eines gemeinsam: Sie nutzen eine neue Form der Materie. In der konventionellen Technik begegnen uns Materialien meist in einem der drei bekannten Aggregatzustände: Feststoffe aus Metall, Kunststoff, Glas und Keramik, die aus kristallinen oder unregelmäßigen starren Strukturen bestehen; Flüssigkeiten mit dicht gepackten, aber leicht beweglichen Atomen und Molekülen; und Gase, in denen die Moleküle frei durch den Raum flitzen.

Die so genannte chemische Nanotechnik bringt Materie in eine andere Form, schafft neue Werkstoffe, deren Bausteine Nanopartikel sind. Stellt man nämlich Metalle, Glas, Keramik oder Halbleiter nicht als Festkörper her, sondern als winzige Partikel, die 5000-mal auf die Dicke eines Haares passen würden (ein Nanometer ist ein millionstel Millimeter), dann können sie plötzlich ganz neue Eigenschaften zeigen: Metalle werden zu Halbleitern oder Farbstoffen, Keramik wird durchsichtig wie Glas, Glas wird zum Klebstoff, der Magnetismus eines Stoffs lässt sich ein- und ausschalten.

Helmut Schmidt, Chef des Saarbrücker Instituts für Neue Materialien (INM), begab sich schon 1990 auf dieses technische Neuland - früher als Forscher in Amerika und Fernost. "Als ich damals meine Absicht bekundete, Nanopartikel für neue Werkstoffe auf chemischem Weg herzustellen, stieß ich bei führenden Experten noch auf Skepsis und auch Kritik", erinnert sich der Chemiker, der vorher das Würzburger Fraunhofer-Institut für Silicatforschung geleitet hatte. Nanotechnologie galt noch als Domäne der Physiker.

Davon ist heute keine Rede mehr. Über 70 Basiserfindungen der chemischen Nanotechnik haben Schmidt und seine Mitarbeiter in den vergangenen zehn Jahren weltweit zum Patent angemeldet. Das INM wurde Leibniz-Institut, erfährt deshalb kräftige Förderung durch den Bund und zählt inzwischen knapp 200 Mitarbeiter. Nicht nur Großunternehmen wie Bayer, BASF, Bosch, Siemens, Infineon und VW kooperieren mit ihm, sondern auch viele deutsche Mittelstandsfirmen und bekannte Konzerne aus Übersee.

Die Fenster, die sich elektrisch gesteuert verdunkeln, verdeutlichen die Raffinesse der chemischen Nanotechnik. Sie bestehen aus zwei Glasscheiben, die innen jeweils eine leitende Schicht und eine Metalloxydschicht für den Verdunkelungseffekt tragen. Die wichtigste Komponente aber ist ein glasklarer Nanokomposit als Elektrolyt in der Mitte. Er leitet nicht nur die Ionen zwischen den beiden Oxydschichten hin und her, sondern verklebt die beiden Scheiben auch fest miteinander und gleicht Unebenheiten in der Form der Scheiben aus. Das INM kann neben den flachen Elektrochromscheiben für Glasfassaden oder Glasdächer, die nur noch drei bis fünf Millimeter dick sind, auch weltweit zum ersten Mal gewölbte Glasscheiben für den Autobau anbieten. Damit lassen sich Sonnenhitze und neugierige Blicke auf Knopfdruck ausblenden.

"Die chemische Nanotechnologie eröffnet bei der Werkstoffentwicklung fünf neue Freiheitsgrade", erläutert Helmut Schmidt. Man kann Nanopartikel erstens aus vielen Stoffen herstellen und sie dann zweitens vielfältig mit organischen oder anorganischen Substanzen beschichten. Drittens lassen sich solch beschichtete Nanoteilchen in viele unterschiedliche molekulare Netzwerke chemisch einbinden. In diesen Nanokompositen können die Forscher viertens die gigantische Oberfläche der Nanopartikel gezielt gestalten. Und schließlich lassen sich auch noch durch die Art der Verarbeitung neue Eigenschaften entwickeln.

Das klingt sehr aufwändig, dennoch müssen die neuen Wunderwerkstoffe nicht teuer sein. Sie werden nämlich im "Sol-Gel-Prozess" hergestellt, einem schon in den dreißiger Jahren patentierten Verfahren, in dem alle chemischen Reaktionen flüssig ablaufen und der sich für die Nanotechnik ideal programmieren lässt. Dadurch bleibt die Produktion auch bei kleinem Volumen kostengünstig. Die Ausgangsprodukte sind handelsübliche Chemikalien, von hohem Wert ist nur das Know-how, mit dem die geschickt gesteuerten Synthesen ablaufen.

Kratzschutz für den Autolack

Der jahrtausendealte Werkstoff Glas erfährt im Nanoformat wundersame Verwandlungen: So besteht der eingangs beschriebene Baustoff aus Naturfasern, ist nicht nur stabil und feuerresistent, sondern auch klimafest und gut wärmedämmend. Er könnte in der Dritten Welt als Baumaterial dienen, das ganz aus heimischen Rohstoffen hergestellt wird. Sein Geheimnis liegt in einem Klebstoff, der nahezu vollständig aus gläsernen Nanopartikeln besteht. Taucht man die Naturfasern in den flüssigen Werkstoff, werden sie nach dem Aushärten vollständig von einer mikrometerfeinen unsichtbaren Glasschicht umhüllt, die sie fest verbindet und ihnen eine hohe Steifigkeit verleiht.

Mit dem kratzfesten CD-Werkstoff verwirklichten Schmidt und seine Mitarbeiter einen Traum der Automobilbauer - und stießen zudem ein transatlantisches Joint Venture zwischen Bayer und General Electric Plastics an. Polycarbonat, ein bis auf seine empfindliche Oberfläche superfester Optikwerkstoff, würde als Fenster- und Karosseriematerial Autos leichter und sicherer machen und Designern neue Freiheiten eröffnen. Mit einer Beschichtung, die pro Quadratzentimeter Milliarden unsichtbarer Nanopartikel aus Keramik enthält, hat das INM diesem Stoff nun den glasharten Kratzschutz verpasst.

Deutsche Autofahrer nutzen das Know-how schon jetzt - der neue Scheckkartenführerschein trägt ebenfalls die glasklare keramische Oberfläche. Hier mussten die Forscher eine besondere Hürde meistern: Die Karten sollten sich aus Zeit- und Kostengründen fix und fertig in Großserie produzieren und anschließend per Laserstrahl durch die kratzfeste Oberfläche hindurch individuell beschriften lassen, ohne dass diese beschädigt würde. Auch der erste durch Nanokeramik gehärtete Lack wird bereits in der deutschen Automobilindustrie erprobt.

Ein wichtiges Einsatzfeld der chemischen Nanotechnik ist auch die Medizin. So entwickelt ein Forschungsteam unter dem Berliner Biologen Andreas Jordan in Kooperation mit dem INM eine neue intelligente Krebstherapie. Und Roche-Diagnostics-Forschern um den Chemiker Herbert Harttig gelang gemeinsam mit den Saarbrückern ein hoch empfindliches Nachweisverfahren von Nukleinsäuren, mit dem unter anderem Aids-Viren schon kurz nach der Infektion im Blut nachgewiesen werden können (mehr dazu in der nächsten Ausgabe der ZEIT).

Angesichts der vielen Kombinationsmöglichkeiten der Nanotechnik erstaunt es nicht, dass ihre Anwendungsvielfalt fast unbegrenzt scheint: Graffitifarben perlen von S-Bahn-Wagen ab, komplexe Mikrobauteile aus Keramik werden wie Kunststoff einfach in Formen gespritzt, Nanokatalysatoren killen störende organische Gerüche, gläserne Farbhologramme sichern die Echtheit metallischer Originalteile. Vieles gibt es weltweit zum ersten Mal, zum Beispiel den Stoff, der Papier verfestigt, jedoch ein Zusammenkleben der Buchseiten verhindert. Mit ihm hat das INM das erste rationelle Verfahren geschaffen, um wertvolle alte Bücher gleich palettenweise zu konservieren - eintauchen, abtropfen lassen, trocknen, fertig. Oder den optischen Werkstoff, mit dem sich CDs künftig wie Buchseiten im Rotationsdruck 100-mal billiger produzieren lassen als heute.

Um dieses vielfältige Zukunftspotenzial besser ausschöpfen zu können, haben Helmut Schmidt und sein inzwischen tödlich verunglückter Tübinger Kollege Alfons Göpel 1998 das deutsche Kompetenzzentrum Nanotechnologie für neue Werkstoffe gegründet. Mehr als hundert Firmen und Institute arbeiten inzwischen in dem Netzwerk zusammen, das heute Göpels erste Mitarbeiterin Christiane Ziegler an der Universität Kaiserslautern koordiniert (ZEIT Nr. 51/01).

"Siebzig Prozent aller technischen Innovationen werden durch die Raffinesse der Werkstoffe bestimmt", sagt Helmut Schmidt. Fortschritte bei den Werkstoffen haben immer schon den industriellen Fortschritt geprägt. Daher verwundert es nicht, dass inzwischen auch US-Forschungszentren, die das technische Neuland anfangs ähnlich ignoriert hatten wie Bill Gates das Internet, mit viel öffentlichem Geld an chemischen Nanotechniken arbeiten. Der Forschungswettbewerb wird also härter. Der Bayer in Saarbrücken, gern geladener Vortragsredner bei großen US-Kongressen, ist daran nicht ganz unschuldig.

In der nächsten Woche: Kleinste Partikel zerstören gezielt Krebszellen, helfen bei der Diagnose von Aids und schleusen winzige Mengen von Medikamenten in die Zellen. Wie Nanotechnik die Medizin vorantreibt, lesen Sie in der nächsten ZEIT