Selbstmontage

Während Forscher beginnen, Geräte und neuartige Materialien im Nanomaßstab zu bauen (ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter, die Größe einiger Atome), stehen sie vor einer gewaltigen Herausforderung. Während es sich in vielen Fällen als möglich erweist, Moleküle herumzuschieben, um winzige Strukturen und sogar funktionierende Geräte zu bilden, ist die effiziente Massenproduktion von allem mit nanoskaligen Eigenschaften eine ganz andere Sache. Was aber, wenn Millionen dieser Nanobausteine ​​die Schwerstarbeit leisten und sich zu den gewünschten Strukturen zusammenfügen – ohne den Einsatz teurer und aufwendiger Fertigungsinstrumente?

Die Selbstorganisation ist zu einem der heiligen Grale der Nanotechnologie geworden, und Wissenschaftler in zahlreichen Labors arbeiten daran, sie in ein effektives Nano-Engineering-Tool zu verwandeln. In gewisser Weise ist Selbstorganisation nichts Neues: Die Biologie tut es ständig. Und seit Jahrzehnten beschäftigen sich Wissenschaftler mit der supramolekularen Chemie und haben nicht nur gelernt, wie Moleküle aneinander binden, sondern auch, wie viele Moleküle sich zu Strukturen zusammenschließen können; Tatsächlich entstand das Konzept der Selbstorganisation weitgehend aus den Versuchen von Chemikern, Moleküle herzustellen, die sich spontan in spezifische Konfigurationen aggregieren, genauso wie biologische Moleküle komplexe Zellmembranen bilden.

Die Zukunft des Fernsehens

Diese Geschichte war Teil unserer November-Ausgabe 2001



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Aber jetzt, mit einem wachsenden Verständnis der Wechselwirkung von Molekülen und kleinen Partikeln, können Forscher vorhersagen, wie sich solche Elemente zu größeren, nützlichen Strukturen wie den Transistoren auf einem Halbleiterchip selbst anordnen könnten. Die Selbstmontage bietet einen sehr allgemeinen Weg zur Herstellung von Strukturen aus Komponenten, die zu klein oder zu zahlreich sind, um von Robotern gehandhabt zu werden, sagt George Whitesides, Chemiker an der Harvard University und Pionier auf diesem Gebiet.

Um besser zu verstehen, wie die Selbstorganisation funktioniert, haben Whitesides und seine Mitarbeiter kürzlich gezeigt, dass die selektive Beschichtung der Oberflächen von mikroskopisch kleinen Goldplatten mit einem klebrigen organischen Film unter den richtigen Bedingungen Tausende solcher Platten dazu bringen kann, sich selbst zu dreidimensionalen zu ordnen Strukturen. Bisher hat das Team von Whitesides mit einer ähnlichen Technik eine relativ große funktionale elektronische Schaltung erstellt. Im nächsten Schritt wird die Schaltung auf den Mikrometerbereich geschrumpft, um komplexere dreidimensionale Strukturen aus Silizium zu erzeugen. Während mikrometergroße elektronische Komponenten nichts Neues sind – Intel stellt sie ständig her – könnten Whitesides’ Experimente wertvolle Hinweise liefern, wie man die Selbstmontage besser manipulieren kann.

Die Natur selbst stellt Wissenschaftlern auch ein Modell zur Verfügung, wie man sich selbst zusammenbauende elektronische Geräte herstellen kann. Die Materialwissenschaftlerin Angela Belcher von der University of Texas in Austin hat Milliarden verschiedener Proteine ​​durchsucht, um Proteine ​​zu finden, die verschiedene Arten von anorganischen Materialien erkennen und daran binden. Zum Beispiel könnte ein Ende des Proteins an ein bestimmtes Metallpartikel binden und das andere Ende könnte an der Oberfläche eines Halbleiters wie Galliumarsenid haften. Mit den richtigen Aufforderungen könnten die Proteine ​​​​anorganische Materialien in Nanogröße lenken, um verschiedene Strukturen zu bilden.

Im vergangenen Frühjahr war Belcher Mitbegründer einer Firma namens Semzyme, die eine Bibliothek dieser proteinvermittelten Bausteine ​​erstellen will. Sie könnten eine beliebige Anzahl von technologischen Anwendungen haben, beispielsweise bei der Herstellung von biomedizinischen Sensoren, hochdichten magnetischen Speicherplatten oder Mikroprozessoren.

Auch Chemiker in Labors wie denen von Hewlett-Packard, der University of California, Los Angeles, der Yale University und der Rice University versuchen, selbstorganisierte molekulare Computer zu entwickeln. Gelingt es ihnen jedoch, wird es Jahre dauern.

In der Zwischenzeit machen andere Forscher, die weniger ehrgeizig sind, schnelle Fortschritte bei der Verwendung der Selbstorganisation, um immer komplexere und immer kleinere dreidimensionale Strukturen zu bauen, die mit bestehenden Geräten kompatibel sein könnten. Beispielsweise könnten bestimmte Merkmale eines Plattenlaufwerks, wie das Speichermedium, durch Selbstmontage erstellt werden, während größere Komponenten, die zum Verbinden des Geräts mit der Außenwelt erforderlich sind, mit herkömmlichen Techniken hergestellt würden. Wir hoffen, dass die Selbstorganisation in der Lage sein wird, bestimmte Schritte in der Herstellung von Materialien und Geräten, bei denen eine Kontrolle auf molekularer Ebene erforderlich ist, kostengünstig zu ersetzen, sagt der Ingenieur Christopher Murray von der Abteilung für Nanowissenschaften von IBM Research in Yorktown Heights, NY.

Wenn er Recht hat, wird Nano-Engineering viel einfacher.

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