Gesundheit: High-Tech im Dekolleté

Von Tobias Beck

Ein Abend in der Oper. An den Ringen, Armbändern und Halsketten der Damen blitzen die Edelsteine – darunter Opale, schillernd wie ein Regenbogen. Wer ahnt in einer solchen Situation, dass es sich bei den schönen Edelsteinen um weitaus mehr handelt als reine Juwelierskunst?

Für Computerexperten hat sich der Schmuckstein längst als Hoffnungsträger entpuppt. Dabei geht es um Optoelektronik, eine Technologie, die im Begriff ist, mit Lichtleitern, Dioden und Lasern die Computer und Kommunikationstechnologie zu revolutionieren. Materialien wie der Opal könnten dabei in der Zukunft eine entscheidende Rolle spielen.

Der schillernde Stein ist ein so genannter photonischer Kristall. Allerdings ist er kein Kristall im eigentlichen, chemischen Sinne, bei dem Atome und Moleküle in Reih und Glied nebeneinander stehen. Der Opal besteht vielmehr aus winzigen, harten Kügelchen aus Silikat, die in regelmäßiger Anordnung in einer weicheren Silikatumgebung eingebettet sind. Dieser Regelmäßigkeit verdankt der Edelstein nicht nur seine schillernde Wirkung, sie ist es auch, die ihn für die Wissenschaft so interessant macht.

Denn mit Hilfe der photonischen Kristalle lässt sich Licht direkt beeinflussen. Trifft ein Lichtstrahl auf ein solches Material, kann er sich im Wald der nur wenige tausendstel Millimeter großen Strukturen nur noch eingeschränkt bewegen - die Physiker reden in diesem Fall von einer Bandlücke. Diese Einschränkung der Bewegung ist dabei das Entscheidende. Denn auch in der herkömmlichen Halbleitertechnologie, auf deren Prinzipien alle Computer beruhen, ist die Bandlücke maßgeblich für die Möglichkeit der Konstruktion von Speicherchips und Leiterbahnen – allerdings existiert die Lücke hier nicht für Licht, sondern für die Elektronen. Doch es ist abzusehen, dass die Miniaturisierung der herkömmlichen Technik in wenigen Jahren an ihre Grenzen stoßen wird.

Die Lichtelektronik wird als ein vielversprechender Kandidat gehandelt, der in diese Bresche springen könnte. Doch bisher war die Größe der integrierten Lichtschaltungen durch die Lichtleiter begrenzt, die die einzelnen Bauteile der Optoelektronik wie Laser und Polarisatoren miteinander verbinden. Mit photonischen Kristallen kann man Licht jetzt praktisch um die Ecke schicken. Wenn es gelingt, die neuen Materialien auf Chips zu integrieren, dürfte den Wunder-Kristallen eine rosige Zukunft bevorstehen.

Um dies zu erreichen bedienen sich die Forscher allerdings nicht der natürlichen Edelsteine. Sie arbeiten an eigenen, für ihre Zwecke besseren Systemen. Doch die Natur zu kopieren ist schwierig. Erst im letzten Jahr ist es einer Forschergruppe an der Universität Toronto gelungen, den ersten künstlichen dreidimensionalen photonischen Kristall herzustellen.

Das große Problem ist die Winzigkeit. Nur 870 Nanometer (millionstel Millimeter), also hundert mal dünner als ein menschliches Haar war der Durchmesser der Kügelchen, die die Wissenschaftler im Innern eines Siliziumwürfels auf einem regelmäßigen Gitter anordnen mussten, um einen künstlichen Opal zu erhalten. Ein sehr aufwendiges und kostspieliges Verfahren.

Deshalb setzen die Forscher erneut auf die Natur. Nicht nur die Idee, auch die Herstellung der Kristalle soll in der Zukunft aus ihrem Baukasten kommen. Die kleinen Strukturen sollen sich nach dem Prinzip der Selbstorganisation zu den begehrten Materialien zusammenfinden. Die Idee ist einfach: In Lösungen schwimmen die winzigen Teilchen dabei frei umher, wenn die Flüssigkeit verdampft, schließen sich die kleinen Tröpfchen dann von selbst zu den begehrten periodischen Strukturen zusammen.

Doch die Natur hat immer noch die Nase vorn. Sie verwendet die photonischen Kristalle schon seit Jahrtausenden in unterschiedlichster Weise. In den Stacheln von Seemäusen sorgen sechseckige, mit Meerwasser gefüllte Chitinstrukturen für ein Schillern, in Schmetterlingsflügeln schimmert eine geschickte Anordnung von Poren in der äußeren Chitinschicht.

Viele Unternehmen haben mittlerweile die photonischen Kristalle entdeckt und ein ganzes Heer von Forscher arbeitet auf dem Gebiet. Doch trotz der Anstrengungen wird es wohl noch einige Jahre dauern, bis der erste Lichtrechner auf heimischen Schreibtischen steht. Bis dahin hat nur die Natur ihre Produkte auf dem Markt: High-Tech- Schmuck für die Abendgarderobe.

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