Nano-Technologie vor nächstem Schub

Während die Industrie ständig neue Einsatzgebiete für Partikel im Nano-Maßstab entdeckt, versuchen Forscher bereits, viel weiter gehende Visionen zu verwirklichen: Sie arbeiten an ganzen Nanofabriken auf winzigen Siliziumchips, in denen eines Tages Nanobauteile in Serie hergestellt werden können. Ein entscheidendes Problem ist dabei allerdings noch ungelöst: Die Logistik. Forscher beschäftigen sich daher weltweit mit der Frage „Wie können in solch winzigen Systemen gezielt Produkte und Materialien von einem Ort zum anderen transportiert werden?“.

Einer Lösung für diese Molekül-Logistik ist die Biophysikerin Viola Vogel ein entscheidendes Stück näher gekommen. Sie setzt auf Methoden aus der Biologie: So genannte Mikrotubuli, die in lebenden Zellen eine entscheidende Rolle bei der Beförderungen von Proteinen spielen, dienen dabei als Transporter. Angetrieben werden diese Waggons vom Biomolekül Kinesin als Lokomotive. Als Treibstoff fungiert ATP, ein Energielieferant in Zellen. „Auf Siliziumchips oder Glas, den Plattformen der Nanofabriken, können wir `Schienen` verlegen, an denen entlang die Mikrotubuli ihre Last bewegen und exakt am Zielort abladen können“, beschreibt Viola Vogel den von ihr entwickelten Nano-Shuttle.

Gemeinsam mit ihrem Team an der Eidgenössischen Technischen Hochschule (ETH) in Zürich versucht die Forscherin, nach und nach Lösungen für die verschiedenen Elemente ihres Bahn-Systems zu finden. Eine der großen Herausforderungen war bisher, die Nano-Waggons genau nach Bedarf in Gang zu setzen und zu stoppen. „Wir haben dieses Problem im Labor mit UV-Licht gelöst“, sagt Vogel. Mit diesem – für das menschliche Auge unsichtbaren Licht – werde im Shuttlesystem der biologische Kraftstoff ATP freigesetzt. Im Dunkeln sei das ATP rasch aufgebraucht und der Schienenverkehr ruht wieder. „Auf Basis dieser Technologie können wir die Geschwindigkeit unserer Shuttles mit Licht regulieren“, erläutert die Forscherin, die in diesem Monat gemeinsam mit Henry Hess von der University of Washington in Seattle für ihre Entwicklung mit dem Philip-Morris-Forschungspreis ausgezeichnet wird.

Als Schienen im Vogelschen Bahnsystem fungieren winzige Kanäle auf der Oberfläche des Siliziumchips. Sie geben den Mikrotubuli bei ihren Bewegungen die Richtung vor. „Mit diesem Prinzip ist es uns bereits gelungen, Kreuzungen für ein kompliziertes Schienennetzwerk herzustellen“, sagt die 45-jährige Forscherin, die vor ihrer Professur in Zürich Leiterin des Centers for Nanotechnology an der University of Washington war. Trotz dieser Forschungserfolge werde es aber noch einige Jahre dauern, bis das Shuttle-System kommerziell einsetzbar sei, sagt Vogel: „Auch in großem Maßstab ist ein Bahnsystem sehr komplex. Viele Elemente müssen perfektioniert und zusammengeführt werden.“ Zurzeit arbeitet die „Vogel-Group“ an der ETH vor allem daran, einzelne Waggons nach Bedarf mit Mini-Gütern zu beladen. Bis das gelingt, muss unter anderem noch die Frage gelöst werden, mit welchen chemischen Erkennungsstellen die Waggons an Bahnhöfen am effizientesten Ladung aufnehmen und abliefern können. „Bisher geschieht das Laden und Entladen noch eher zufällig“, sagt die Nano-Forscherin.

Spätestens wenn diese Fragen gelöst sind, ist das Transportsystem ein entscheidender Fortschritt für die Nanotechnologie. „Bisher können wir im Nanobereich nur recht einfache Strukturen aufbauen“, sagt Viola Vogel. „Mit funktionierenden Nanofabriken wird es dagegen auch möglich sein, Strukturen herzustellen, die einige Eigenschaften von biologischen Materialien haben, so dass sie sich beispielsweise selber reparieren oder je nach Bedarf schrumpfen oder wachsen können.“ Bisher allerdings stehe man erst an einem Anfang – wenn auch an einem Erfolg versprechenden. Von der ersten Demonstration im Labor bis zur Marktreife vergleichbarer Entwicklungen vergehen meist zehn Jahre. Zurzeit handelt es sich noch um reine Grundlagenforschung.

Doch vorfühlende Gespräche mit der Industrie gibt es bereits. „Hier geht es zum einem um ein frühzeitiges Feedback der späteren Anwender, aber auch um Finanzierungsfragen“, sagt die Nano-Expertin. Denn die „Vogel-Group“ rechnet damit, dass in zwei bis drei Jahren ein erster Prototyp für die Fabrik mit Shuttle-System entwickelt werden kann und spätestens in dem dann folgenden Forschungsstadium benötigen die Forscher finanzstarke Partner.