Drähte des Wunders

Es war die Art von Entdeckung, die in der Chemie nur alle paar Jahrzehnte passiert – wenn man sehr viel Glück hat. 1985 stellten Richard E. Smalley und mehrere Mitarbeiter der Rice University eine noch nie dagewesene Form von Kohlenstoff her. Die Anordnung der Kohlenstoffatome in jedem Molekül ähnelte einer winzigen geodätischen Kuppel, daher nannten die Forscher das Material Buckminsterfulleren nach dem Architekten, der die Form populär gemacht hatte. Mit seinem sauber strukturierten Atomnetzwerk wurde der Buckyball schnell zum Aushängeschild der Nanotechnologie. Dann machten Forscher Anfang der 1990er Jahre eine weitere überraschende Entdeckung: Man konnte auch Hohlrohre aus der gleichen Kohlenstoffstruktur herstellen. Kohlenstoff-Nanoröhrchen hatten ein Vielfaches der Festigkeit von Stahl, die elektrische Leitfähigkeit von Kupfer und hatten den Durchmesser eines DNA-Moleküls. Sie waren, kurz gesagt, perfekte Materialien für den Bau und die Verkabelung der Nanowelt.

Mehr als ein Jahrzehnt nach seiner ersten Entdeckung ist Smalleys Begeisterung für die neuen Materialien ungebrochen. Im vergangenen Jahr war er Mitbegründer des Unternehmens Carbon Nanotechnologies, um die kommerziellen Mengen von Nanoröhren herzustellen, die es anderen Labors ermöglichen, die Technologie voranzutreiben und Anwendungen zu entwickeln. Aber seine anhaltende Begeisterung für Fullerene (wie die allgemeine Kategorie dieser kohlenstoffbasierten Moleküle genannt wird) geht weit über die Vorwegnahme zukünftiger technologischer Anwendungen hinaus. Als Spektroskopiker ausgebildet, ist Smalley, seit 1976 Chemieprofessor in Rice, von den Molekülen selbst fasziniert. Als er 1996 den Nobelpreis für Chemie für die Fulleren-Forschung entgegennahm, bezeichnete Smalley die Entdeckung als eine der spirituellsten Erfahrungen, die jeder von uns im ursprünglichen Team von [Forschern] je erlebt hat.

Ein Ende von Alzheimer?

Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom März 2001



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Das 33 Millionen US-Dollar teure Center for Nanoscale Science and Technology, das Smalley 1995 gründete und heute leitet, befindet sich am Rand des Rice-Campus in Houston und ist ein Zeugnis für das Potenzial von Fullerenen. Die Zahl der Forschungsgruppen am Nanotech-Zentrum wächst so schnell, dass Smalleys eigenes Labor nebenan in den dritten Stock von Rice’s Space Science Center umgezogen ist. Der stellvertretende Chefredakteur der Technology Review, David Rotman, besuchte kürzlich Smalley, um sich nach der Zukunft der Nanotechnologie zu erkundigen und zu erfahren, warum der Nobelpreisträger Nanoröhren für so besonders hält.

TR: Wie hat sich die erhöhte Aufmerksamkeit und Finanzierung, wie beispielsweise die 495 Millionen US-Dollar teure Nanotech-Initiative von Präsident Clinton für 2001, auf den Bereich der Nanotechnologie ausgewirkt?

KLEIN: Den Präsidenten dazu zu bringen, darüber zu sprechen, hat Wissenschaftler und Technologen ermutigt, Nano in ihre Vorschläge aufzunehmen. Sie wissen, was das neue Schlagwort ist. Aber noch beeindruckender war für mich, wie diese Idee bei denjenigen da draußen angekommen ist, die sich mit Wissenschaft beschäftigen. Und ich habe nicht das Gefühl, dass es sich um eine künstliche Haltung handelt. Die Kerndisziplinen Chemie und Physik haben sich für diese Idee erwärmt. Ein Teil davon war eine Reaktion auf die Finanzierung. Aber ich denke, es gibt wirklich eine allgemeine Anerkennung, dass hier wirklich etwas ist. Die Chemie und Physik sind jetzt so weit fortgeschritten, dass man sich [Nano-]Strukturen von ausreichender Komplexität vorstellen und in einigen Fällen tatsächlich bauen und experimentieren kann, damit etwas Neues passiert.

TR: Besteht die Gefahr, dass die Nanotechnologie, wie viele andere Schlagworte, ihre eigentliche Bedeutung verliert?

KLEIN: Ich mag das Wort Nanotechnologie. Ich mag es, weil das Präfix Nano garantiert, dass es für Jahrzehnte Grundlagenforschung sein wird; Die Technologie sagt, dass es sich um Technik handelt, an der Sie nicht nur beteiligt sind, weil Sie daran interessiert sind, wie die Natur funktioniert, sondern weil sie etwas hervorbringen wird, das eine breite Wirkung hat. Wenn Sie diese beiden Dinge in einem Wort zusammenfassen, entsteht eine Spannung. Da unsere Disziplinen, insbesondere Chemie und Physik, ausgereift sind, beschäftigen wir uns jetzt auf ganz grundlegender Ebene mit Dingen, die eine praktische Bedeutung haben.

TR: Wenn Sie sich die verschiedenen Arbeiten in der Nanotechnologie ansehen, was begeistert Sie am meisten?

KLEIN: Ich muss zugeben, dass ich nur von Kohlenstoff-Nanoröhrchen besessen bin. Es ist schwer für mich, länger als 10 Minuten zu bleiben, ohne über sie zu sprechen. Ich denke, sie sind das Coolste, und ich denke, sie werden die wahrscheinlich größte Wirkung haben. Aber wenn ich mich für einen Moment davon distanziere, glaube ich, dass die Forschung an dem, was ich die nass/trocken-Schnittstelle nenne, intellektuell am faszinierendsten für mich ist. Es kann sein, dass wir in 20 Jahren zurückblicken und sagen, dass wir große Fortschritte gemacht haben. Was ich die nasse Seite der Nanotechnologie nenne, ist die Maschinerie des zellulären Lebens. Wenn wir lernen, diese natürliche Maschinerie mit anorganischen, elektromechanischen Strukturen und Systemen zu verbinden, die auf der Nanometerskala (der trockenen Seite der Nanotechnologie) entwickelt wurden, werden sowohl in der Grundlagenwissenschaft als auch in der praktischen Technologie enorme neue Grenzen geöffnet.

Trotzdem kann ich zurückkommen und sagen, dass Nanoröhren für die Nass-Trocken-Grenzfläche enorm wichtig sein werden, weil sie etwas Neues in das Spiel bringen. Organische Moleküle [kohlenstoffhaltige Moleküle, die die Grundlage von Lebewesen bilden] sind großartig vielseitig, aber es gibt einige Dinge, die sie nicht gut können. Tatsächlich gibt es einige Dinge, die biologische Systeme selbst nach mehr als vier Milliarden Jahren noch nicht herausfinden konnten. Eine Sache ist, Strom wie Metalle zu leiten. Andere sind Wärmeleitung und Festigkeit und Zähigkeit. Knochen sind sehr beeindruckend, ebenso wie Zähne. Aber sie sind kein Stahl – geschweige denn, was Nanoröhren mit Festigkeit und Leitfähigkeit leisten können. In der Lage zu sein, eine Kohlenstoffnanoröhre in den Bereich der Molekularbiologie zu bringen – sei es tatsächlich aufgelöst und einer der Spieler, oder als Sonde oder als Teil eines Implantats, als Teil einer neuen Membran – ist es wirklich in der Biologie etwas ganz Neues auf den Tisch zu bringen. Fast ein Fremdwort.

TR: Ein Fremdwort, weil…

KLEIN: Weil es Strom leitet. Es bringt diese Eigenschaften mit sich, die Sie von anderen organischen Molekülen nicht erhalten können. Und es ist immer noch Kohlenstoff, also hat es organische Chemie. Hier ist ein Objekt, das in überragendem Maße die Aspekte aufweist, die wir für die anorganische Welt am wichtigsten halten: Härte, Zähigkeit, enorme Festigkeit, thermische und elektrische Leitfähigkeit. Dinge, die man mit Knochen und Holz einfach nicht machen kann. Aber es ist aus Carbon. Es ist etwas, das das Spiel auf dem gleichen Niveau der Perfektion spielt wie Moleküle und Leben.

Es gibt Elektrizität in biologischen Systemen, aber sie liegt daran, dass sich Ionen durch Membranen bewegen. Nerven arbeiten durch elektrische Leitung; Zitteraale haben sicherlich Strom. Aber diese Art von Elektrizität ist anders als die, die in Kabeln und Häusern fließt, um Computer herumläuft und Radios zum Laufen bringt. Es ist nicht die Art von Elektrizität, die damit zu tun hat, dass sich Elektronen kohärent und mit geringem Verlust über große Entfernungen bewegen. Das ist die Eigenschaft von Metallen, von anorganischen Verbindungen.

TR: Und nun könnten Nanoröhren diese Art von Elektrizität in biologische Systeme bringen?

KLEIN: Ja. Sie bringen in die Molekularbiologie, zu den Dingen, die nachts in einer Zelle rumpeln, ein neues Spielzeug zum Spielen – etwas, das Elektrizität leitet.

TR: Was werden die neuen Spielzeuge sein?

KLEIN: Bleiben Sie dran für das nächste Jahrtausend und wir werden sehen. Ich könnte einige Beispiele nennen, aber sie scheinen eher fußläufig und ad hoc zu sein. Solange Sie nicht so etwas zu der Mischung hinzufügen, kann die unglaubliche Maschinerie lebender Zellen nichts bauen, das Elektrizität mit der Effizienz von Metallen leitet. Hier haben wir ein [organisches] Molekül, das das kann. Ich glaube nicht, dass irgendjemand klug genug ist, um die weitreichenden Auswirkungen vorherzusagen. Aber Gott weiß, wie viele Jahre es dauern wird, bis Nanoröhren Teil lebender Zellen sind. Zuvor können wir Nanoröhren als Sonden für Zellen verwenden, als Sonden zum Nachweis der Struktur von Molekülen, um DNA zu sequenzieren. Dies sind wunderbare neue Drähte, um das zu tun.

TR: An welchen Projekten arbeiten Sie und Ihre Gruppe gerade?

KLEIN: Der größte Einzelfokus liegt auf der Herstellung von Nanoröhren. Das ist es, worum es bei diesem Unternehmen anfangs geht, indem es den Zapfen aufdreht, damit Forscher auf der ganzen Welt Zugang zu den hochwertigsten Röhrchen haben, die wir möglicherweise in großen Mengen zu geringen Kosten herstellen können. Wir möchten Nanoröhren zu einem geringen Preis zur Verfügung stellen, um Ihrer Fantasie freien Lauf zu lassen. Diese Röhren gibt es in drei Arten: Metalle [ausgezeichnete elektrische Leiter] und zwei Arten von Halbleitern. Ich möchte sie so effizient produzieren, dass ich ein Kilogramm einer bestimmten Röhre liefern kann.

KINDER : Sie möchten also Nanoröhren breiter verfügbar machen. Andere Gruppen betrachten die Nanoröhren ausschließlich unter dem Gesichtspunkt der Anwendung. An welchen interessanten Anwendungen arbeiten sie?

KLEIN: Im nächsten Begriff sieht es so aus, als ob eine Anwendung in [Flachbildschirm]-Displays sein wird. Eine Reihe von Unternehmen haben bereits Prototypen von Displays, die Nanoröhren verwenden. Es überrascht mich nicht, wenn Sie in einigen Jahren Displays mit Nanotubes auf dem Markt sehen.

Ein weiterer Bereich, der schnell sein wird, sind Additive in technischen Kunststoffen [verwendet in strukturellen oder Hightech-Anwendungen wie Computergehäusen]. Sie können selbst bei sehr, sehr geringen Mengen von Nanoröhren zu antistatischem Verhalten und zu sehr moderaten Abschirmungen gegen EMI [elektromagnetische Interferenz: solche Abschirmungen werden zum Schutz von Laptops und anderer tragbarer Elektronik verwendet] führen. Im Gegensatz zu allem anderen, das Sie Polymeren hinzufügen, um sie antistatisch zu machen oder zur EMI-Abschirmung zu verwenden, erhöht dies wahrscheinlich die Zähigkeit und Festigkeit der technischen Kunststoffe. Außerdem erwarte ich, dass Sie in einigen Jahren kommerziell erhältliche Nanoröhrchen-Spitzen auf Rasterkraftmikroskop-Sonden finden werden. Ich gehe davon aus, dass die Verwendung in Nanotech-Geräten im Allgemeinen in den nächsten fünf Jahren oder so wirklich florieren wird.

Was wir gerne sehen, ist, dass sich das Geschäft so entwickelt, dass es wirtschaftliche Anreize gibt, einen großen [Fertigungs-]Prozess aufzubauen und den Preis weit zu senken. Derzeit kosten Nanoröhren etwa 500 US-Dollar pro Gramm. Berechne die Zahlen. Das sind fast 230.000 US-Dollar pro Pfund. Mit der Zeit wird dieses Zeug als Massenware in der Nähe von 10 USD pro Pfund oder sogar darunter hergestellt. Aber Sie müssen eine Anlage bauen, und der Markt muss da draußen sein. Die Geschwindigkeit der Geschäftsentwicklung hängt stark von diesen frühen Märkten ab.

TR: Die Hoffnung ist, dass sich die Anwendungen öffnen, wenn mehr und bessere Materialien verfügbar sind?

KLEIN: Stimmt. Und das nächste Jahr wird ein echter Wendepunkt sein, denn unser Verfahren wird mindestens 10 Kilogramm in die Forschungsgemeinschaft bringen. Die Gesamtproduktion von einwandigen Nanoröhren jeglicher Qualität lag bisher vermutlich unter einem Kilogramm.

TR: Natürlich erfüllt keine dieser kurzfristigen Anwendungen wirklich das große Versprechen von Nanotubes, oder? Zum Beispiel als elektrischer Leiter in einer biologischen Umgebung zu fungieren?

KLEIN: Und wovon ich vorher gesprochen habe, war nur die Nass/Trocken-Schnittstelle. Dann kommst du wieder auf die trockene Seite. Es gibt einen verrückten Rand der Welt der Nanoröhren, über den wir noch nicht gesprochen haben. Im Laufe des nächsten Jahres wird es in meinem Labor, und ich vermute in vielen auf der ganzen Welt, einen großen Schub zur Entwicklung von Mitteln zum Spinnen von Endlosfasern - makroskopischen Fasern - von Nanoröhren mit einem hohen Orientierungsgrad geben [die Nanoröhren würden wie ungekocht ausgerichtet werden Spaghetti in einer Schachtel]. Ich denke, das wird gelingen, und es wird etwas Besonderes.

In eine Richtung sind Nanoröhren das stärkste verdammte Ding, das Sie jemals im Universum herstellen werden, und sie sind ausgezeichnete elektrische Leiter; in die andere [senkrechte] Richtung sind sie schlaff und die elektrische Leitfähigkeit ist ziemlich schlecht. Bei Materialien, bei denen eine elektrische Leitfähigkeit erwünscht ist, ist es also wichtig, wie gut die Nanoröhren ausgerichtet sind. Ich glaube, dass es möglich sein wird, Endlosfasern aus Nanoröhren in einem effizienten Spinnprozess herzustellen, bei dem die Röhren alle ausgerichtet sind. Ich würde das nicht den verrückten Rand nennen; Ich denke, es wird passieren. Aber jetzt reden wir über das wirklich verrückte Extrem. Was wäre, wenn diese gesponnenen Fasern statt eines Mikrometers einen Kilometer lang wären?

TR: Theoretisch könnte man Nanoröhren-Fasern einen Kilometer lang machen?

KLEIN: Theoretisch können Sie sie zu Alpha Centauri machen. Was wäre die Stärke einer langen Faser? Du hättest das stärkste verdammte Ding, das jemals im Universum gemacht wurde. Können wir das jemals schaffen? Und was würde es nützen? Wenn Sie es billig und mit einer durchgehenden Länge schaffen könnten, könnten Sie die längste Hängebrücke, von der Sie je gehört haben, Aufzüge im Weltraum bauen. Aber Buckykabel wären auch hervorragende Stromleiter. Es ist der logische Ersatz für alle Energieübertragungskabel der Welt. Das ist am Rande des Wahnsinns, aber ich kann das sagen, weil ich ein Befürworter davon bin.

TR: Wie Sie wissen, gibt es wachsende Bemühungen, organische Moleküle als winzige Schalter in nanoelektronischen Geräten zu verwenden ( sehen Molekulare Informatik , TR Mai/Juni 2000 ). Welche Rolle werden Ihrer Meinung nach Nanoröhren in der molekularen Elektronik spielen?

KLEIN: Langfristig scheint es, als müssten sie sich einfügen, denn sie sind Nano und sie leiten Strom. Ob sie in den nächsten zehn Jahren in nanoelektronische Geräte einsteigen werden oder nicht, ich glaube nicht, dass jemand schlau genug ist, um es zu wissen. Tatsächlich ist niemand schlau genug, um zu wissen, ob es in den nächsten zehn Jahren nanoelektronische Geräte geben wird. Aber die meisten Leute sind sich einig, dass, wenn man den elektrischen Leiter in der Nanoelektronik auswählen müsste, es irgendwann eine Nanoröhre sein wird. Wir müssen nur am Ball bleiben, um zu sehen, wie schnell das passiert.

TR: Im Moment ist selbst etwas so Einfaches wie das Platzieren einer Nanoröhre an der gewünschten Stelle immer noch eine Herausforderung, nicht wahr?

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KLEIN: Wir sind wirklich Kinder, nicht einmal Kinder, Babys, wenn wir verstehen, wie Nanoröhren funktionieren.

TR: Trotzdem dachte ich, wie schnell sich das Feld der Nanotechnologie entwickelt hat. Als ich Sie vor einigen Jahren interviewte, haben wir viel über den Hype um die Nanotechnologie gesprochen. Jetzt, wo immer mehr ernsthafte Wissenschaftler involviert sind, scheint es darüber hinaus gegangen zu sein.

KLEIN: Das war der Schlüsselfaktor, ernsthafte Wissenschaftler zu engagieren, die weit entfernt von Nanobots sind [nanoskalige Roboter spielen in vielen spekulativen Visionen der Nanotechnologie eine Rolle]. Wir haben die Aufgabe des De-Nanobots des Feldes noch nicht ganz abgeschlossen. Der Hauptpunkt ist jedoch, dass die Nanotechnologie so wichtig ist, dass wir sie nicht nur mit Nanobots in Verbindung bringen möchten. Ob sie jemals eintreten können oder nicht, ist eine andere Frage, aber die Nanotechnologie hat eine viel breitere Realität – und in vielerlei Hinsicht eine viel interessantere.

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