Gesundheit: Die Kleinsten werden die Größten sein

"Alle Informationen, die Menschen in den Büchern dieser Welt zusammengetragen haben, können in einem Würfel von der Größe eines Staubkorns zusammengefaßt werden", prophezeite 1959 der Physiker Richard Feynman.Die inzwischen in jedem Haushalt anzutreffende CD zeigt, wie weit die Technik dieser Vision näher gekommen ist.Mühelos lassen sich auf einer einzigen Silberscheibe die Telefon- und Faxnummern plus Adressen von über 35 Millionen bundesdeutschen Teilnehmern unterbringen.Die feinen Gravuren des digitalen Alphabets sind nur unter dem Mikroskop zu erkennen.Ihre Größe bemißt sich nach Mikrometern: tausendstel Millimetern.

Die CDs sind Kinder der Mikroelektronik, ebenso wie die Speicherchips für Computer, Handy oder Anrufbeantworter, die Hunderttausende von elektronischen Bauelementen auf wenigen Quadratmillimetern Siliziumfläche vereinen.Auch die Mikrosystemtechnik brachte winzige Wunder hervor: komplizierte Planetengetriebe oder Mikromotoren von den Ausmaßen eines Stecknadelkopfes.In zwei bis drei Jahren wird diese Technologie jedoch ihre Grenzen erreicht haben: Strukturen, kleiner als etwa ein zehntausendstel Millimeter, sind mit den Methoden der Mikroelektronik nicht mehr ohne weiteres machbar.

Doch in den Laboratorien operieren Forscher längst unterhalb dieser Grenze, um noch kleinere Gebilde zu schaffen.Winzig sind für sie erst Strukturen, die kleiner sind als 50 Nanometer und im Extremfall nur noch aus wenigen hundert Atomen bestehen.Ein Nanometer ist der millionste Teil eines Millimeters.

In solchen Dimensionen spilet sich denn auch eine Schlüsseltechnologie des 21.Jahrhunderts ab, die Nanotechnologie.Wie so oft steht die Natur Pate: Die schillernden Farben eines Schmetterlingsflügels oder das verblüffende Selbstreinigungsvermögen der Lotos-Pflanze sind Effekte, die auf speziellen Nano-Oberflächenstrukturen beruhen.Wissenschaftler arbeiten gegenwärtig schon an Computerchips der Nano-Generation mit extrem hoher Informationsdichte, an ultradünnen und superharten Überzügen für Kunststoffe, korrosionsarmen Metallen oder CDs mit hundert Stunden Spieldauer.

"Eine erste Abschätzung weist für die Jahre nach 2001 ein Weltmarktvolumen in dreistelliger Milliardenhöhe für Produkte aus, die durch die Nanotechnologie entscheidend beeinflußt werden", prognostiziert Frank Schröder-Oeynhausen vom VDI-Technologiezentrum in Düsseldorf.Die Bedeutung der Nanowelt für die Zukunft hat auch das Bundesforschungsministerium erkannt.Seit Oktober fördert es sechs Kompetenzzentren zunächst bis zum Jahr 2003 mit insgesamt 150 Millionen Mark.Sie sollen die vorhandenen Kapazitäten der Forschung bündeln und die praktische Umsetzung ihrer Ergebnisse beschleunigen.

Eine solche Schaltstelle des Wissens befindet sich an der Technischen Universität Berlin.Sie vereint die Potentiale Münchner Universitäten mit denen der Siemens-AG, verschiedener Max-Planck- und anderer Institute - insgesamt bundesweit 17 Forschungseinrichtungen, acht Unternehmen und zwei Banken.In Berlin geht es dabei um die Entwicklung neuer Bausteine der Optoelektronik.Die Einrichtung leitet Dieter Bimberg.Der Physikprofessor denkt unter anderem an die Weiterentwicklung der stecknadelkopfgroßen Halbleiter-Laser, wie sie zum Beispiel in "Laser-Pointern" oder CD-Playern eingebaut sind.Sie strahlen - je nach verwendetem Kristallmaterial - nur Licht einer bestimmten Wellenlänge aus, meist im roten oder infraroten Bereich.Für zahlreiche Anwendungen wünscht sich die Industrie aber auch Halbleiter-Laser, die Licht mit anderen Wellenlängen aussenden.Besonders interessant sind blaue und grüne Lichtemitter.In vielen Laboratorien der Welt wird fieberhaft daran gearbeitet.

Einen zukunftsträchtigen Weg zur Lösung des Problems haben die Forscher der TU entdeckt.Sie bauen "Quantenpunkte" in den Laserkristall ein.Man kann sich Quantenpunkte als winzige Pyramiden aus einem kristallinen Halbleitermaterial wie Silizium oder Galliumarsenid vorstellen, die wenige millionstel Millimeter hoch und breit sind.Sie bestehen nur noch aus einer Handvoll Atome.Bemerkenswert ist, daß sie ihre ursprünglichen Materialeigenschaften von einer bestimmten Grenze an - unterhalb von etwa 30 Nanometern - verändern.Insbesondere sind die Eigenschaften plötzlich auch von der Größe abhängig - ungefähr so, als wenn eine Scheibe aus rotem Glas gelb würde, wenn man sie in kleinste Teilchen zerbröselte.

Durch eine gezielte Variation der Abmessungen der Nano-Pyramiden können die Forscher schließlich Halbleiter-Laser nach Maß schaffen.Sie senden - in gewissen Grenzen - Licht in der gewünschten Farbe oder Wellenlänge aus."Mit Hilfe solcher Infrarot-Mini-Laser, die an der TU entwickelt wurden, kann die Industrie zum Beispiel Datenverbindungen zwischen Computern herstellen, die tausendmal mehr Informationen übertragen als die besten derzeit benutzen Verbindungen", sagt Bimberg.

So schön die Theorie, so schwierig die Praxis.Wie baut man Minikristalle aus nur 1000 Atomen? Wie produziert man zehn Millionen exakt gleiche Exemplare davon? Und wie baut man diese zehn Millionen Quantenpunkte in einen nur unter der Lupe erkennbaren Quader von einem zehntel Quadratmillimeter Grundfläche ein, um den maßgeschneiderten Laser zu erhalten?

Die Forscher vollbringen dieses technologische Wunder, indem sie die Fähigkeit der Materie zur Selbstorganisation nutzen: Hat man erst einmal die richtigen Bedingungen für "selbstorganisiertes Wachstum" der Nano-Teilchen erforscht, wachsen diese in der gewünschten Weise beinahe von selbst.

Zusammen mit russischen Wissenschaftlern brachten die Berliner bereits 1994 den ersten Quantenpunkt-Laser der Welt zum Leuchten.Auf der diesjährigen Hannover-Messe stellten sie ihre neueste Entwicklung vor: einen Quantenpunkt-Laser mit vier Watt Ausgangsleistung - viel für ein Gebilde dieser Art und neuer Weltrekord.Allerdings strahlt auch dieser Laser noch im Infrarot.Wenn man jedoch einen Laserstrahl solcher Leistung durch eine fluoridhaltige Lichtleitfaser schickt, wird er in blaues Licht konvertiert.Auf ähnliche Weise hoffen die Forscher um Dieter Bimberg, grünes Licht mittels der winzigen Halbleiter-Laser zu erzeugen.Dann wäre es möglich, hochbrillant leuchtende Laser-Displays für die Fernseh- und Computertechnik herzustellen.

Wirklich brauchbare Halbleiterlaser arbeiten derzeit nur mit rotem (oder infrarotem) Licht.Das ehrgeizige Ziel, blaues und ultraviolettes Licht mit winzigen Halbleiter-Lasern zu erzeugen, verfolgt seit Jahren auch Shuji Nakamura von der japanischen Firma Nichia.Er will jetzt die erste im Ultraviolett an der Grenze zum Blau leuchtende Laserdiode der Welt fertiggestellt haben, die über 10 000 Stunden stabil arbeitet.Die Prototypen sind allerdings mit 2000 Dollar je Stück noch zu teuer und müßten in der Massenproduktion deutlich billiger werden.Nur rund eine Mark kostet zum Beispiel die Infrarot-Laserdiode in den CD-Playern.

Daß sich die Laserdiode von Nichia eines Tages so billig herstellen läßt, bezweifelt Bimberg."Das Problem ist, daß die Japaner ihren Laser auf der Basis eines Saphirkristalls aufgebaut haben.Saphir ist aber ein so teures Material, daß damit keine billige Massenproduktion vorstellbar ist." An der Technischen Universität habe man dagegen einen Prozeß entwickelt und zum Patent angemeldet, der dem japanischen sehr ähnelt.Der Clou: Das Berliner Verfahren funktioniert mit dem klassischen, billigen Halbleitermaterial Silizium."Allerdings", so räumt Bimberg ein, "noch leuchtet unser blauer siliziumbasierter Nitrid-Laser nicht.Aber wir arbeiten mit viel Optimismus daran."

Auch Transistoren, die eigentlichen Grundbausteine der modernen Elektronik, lassen sich mit diesen Methoden weiter verkleinern.Die praktische Konsequenz: Speicherchips könnten 100 Milliarden Bits (zirka sieben Millionen Schreibmaschinenseiten Text) pro Quadratzentimeter speichern - mindestens tausendmal mehr als die besten heute verwendeten Chips.Die Zeit, wo das niedergeschriebene Wissen der Menschheit in einem Staubkorn Platz findet, rückt offenbar näher.

MICHAEL OCHEL