Zeitung Heute : Quantenmechanik für den Hausgebrauch

DIETER BIMBERG

Sprünge in der gesellschaftlich-zivilisatorischen Entwicklung der Menschheit gingen in den letzten drei Jahrtausenden häufig mit der Einführung "neuer Technologien" Hand in Hand. Beispiele hierfür sind die Erfindung des Rades, Gutenbergs Buchdruck oder die Bereitstellung moderner Telefon- und Datennetze. Hätten sich Kulturen und Zivilisationen gegenseitig befruchtet, wenn Esel- oder Kamelkarawanen die einzigen Transportmittel gewesen wären? Hätte es ein Zeitalter der Aufklärung gegeben, wenn das Wissen über die Ideen von Jean-Jacques Rousseau ein Privileg weniger Gesprächspartner aristokratischer Abendgesellschaften geblieben wäre? Stellt die globale Vernetzung der gesellschaftlichen Entscheidungsträger nicht auch einen Beitrag zu einem friedlicheren Zusammenleben der Nationen und Völker dar?

Ähnlich wichtig für die Geschichte der Menschheit war die Einführung neuer Materialien. Die Ablösung von Stein durch Bronze und der Ersatz von Bronze durch Eisen initiierten neue Bearbeitungsformen und die Entwicklung von Handwerk und Landwirtschaft. Das Element Silizium, ein Stoff dessen Qualitäten man auf einer in Jahrtausenden gemessenen Zeitachse erst seit einer winzigen Zeitspanne kennt, markiert den Beginn einer neuen Phase: des Informationszeitalters.

Unsere Kenntnis von Zahl und Beschaffenheit der in der Natur vorkommenden chemischen Elemente ist heute weitgehend vollständig. Die physikalischen Gesetze, welche das Zusammenwirken von Atomen in Flüssigkeiten oder festen Körpern bestimmen, sind überwiegend erforscht. Ist damit das Zeitalter der durch die Physik oder Chemie verursachten Innovationsschübe abgeschlossen? Weit gefehlt! Wir beginnen nunmehr den Raum, die Ausdehnung von Materie, nicht nur als Gegenstand unserer Neugierde, sondern als Träger völlig neuer Eigenschaften zu begreifen.

Dabei begeben wir uns in eine Welt, die unserer unmittelbaren Anschauung nicht mehr zugänglich ist. Das mikroskopisch Kleine, ein Haar, das Auge einer Ameise, Einzelheiten auf einem Silizium-Mikrochip, lassen sich gerade noch unter einem Mikroskop betrachten und damit in den Bereich der Anschauung zurückholen. Treten wir in den Nanokosmos ein, so wird alles nochmals um den Faktor 1000 kleiner. Wir können es nicht mehr sehen, nicht mehr berühren und nur noch mit den besten Elektronenmikroskopen in Sichtbares übersetzen.

Im Nanokosmos beobachten wir die plötzliche Teilung und Differenzierung von Zellen und die Entstehung von Zellverbänden. Auch auf scheinbar glatten Festkörperoberflächen können sich in Sekundenschnelle Hunderte von Milliarden regelmäßig angeordneter Strukturen bilden, auch Quantenpunkte genannt. Sie sind ebenso kristallin wie die Schichten, aus deren Zerfall sie entstanden sind. Dennoch haben sie völlig andere Eigenschaften. Die Grenzen zwischen Physik, Chemie und Biologie lösen sich auf.

Neben dem Material bestimmen die Ausdehnung, die Geometrie der Nanostrukturen und die Anordnung der Atome das Wesen der Dinge, also auch ihre Funktion. Für Nanoteilchen gelten ihrer Winzigkeit wegen andere physikalische Gesetze als für einzelne Atome: die Gesetze der Quantenmechanik. Ein derart kleines Teilchen muß zum Beispiel nicht über eine Barriere klettern, um diese zu überwinden. Es kann unter bestimmten Voraussetzungen durch diese hindurch tunneln, ohne sich wirklich einen Tunnel gegraben zu haben. Es bedarf sicherlich keines Eigenversuchs, um festzustellen, daß unser Kopf keinen quantenmechanischen Charakter hat, wenn er direkt durch eine Betonwand will.

Die Farbe eines Nanoteilchens stellt eine besonders augenfällige Abhängigkeit seiner Eigenschaften von der Größe dar. Aus demselben Material lassen sich - je nach Größe der verwendeten Strukturen - Laser für den grünen, blauen oder ultravioletten Spektralbereich erschaffen. Die nanokosmische Architektur stellt sowohl die Grundlage für neue, noch dichter gepackte Datenspeicher als auch für ein zukünftiges, auf der Technik von Halbleiterlasern basierendes Farbfernsehen dar. In der Vision unserer Wissenschaftler und Ingenieure erzeugen drei nur jeweils stecknadelkopfgroße, kaum Energie verbrauchende Laser ausreichend Licht, um einen Schirm mit einer Diagonale von einem Meter mit Bildern bisher nicht gekannter Farbreinheit zu erfüllen. Vielleicht bereits in zehn Jahren werden wir über die Antiquiertheit und Komplexität unserer jetzigen Fernsehröhren lächeln. Ähnliches gilt für die Energieverschwendung vieler unserer Glühlampen, welche heute eher eine Methode zur Raumheizung als zur Beleuchtung darstellen. Bald werden diese durch energiesparende, lichtemittierende Dioden abgelöst sein. Die Quantenmechanik wird damit still und heimlich Einzug in jeden Haushalt halten.

Alle 18 Monate verdoppelt sich die Zahl der Transistoren auf einem Chip. Die Leistungsfähigkeit des Computerprozessors oder -speichers wächst entsprechend. Nicht irgendwann, sondern in dem durchaus absehbaren Zeitraum von 10 bis 15 Jahren stoßen wir jedoch an die Grenzen dieser in der Zwischenzeit extrem teuer und komplex gewordenen Methode, elektronische Bauteile einfach immer kleiner zu machen. Denn die die Nanowelt regierenden Gesetze und Prozesse erlangen entscheidende Bedeutung.

Aus magnetischen Teilchen bestehende Quantenpunkte, die wie von selbst zu 100 Milliarden Stück pro Quadratzentimeter auf einer Oberfläche in Sekundenschnelle heranwachsen, bilden vielleicht in einem Jahrzehnt die Grundlage für neuartige Speicher. Werden heute noch viele tausend Elektronen für einen Schaltvorgang selbst in den kleinsten Transistoren benötigt, so könnte dies in Zukunft ein einziges Elektron bewerkstelligen - mit einem entsprechenden vieltausendfach verringerten Energieaufwand pro Schaltung. Wiederum wird die Quantenmechanik den Ablauf der Vorgänge regieren.

Die Überwachung unserer Umwelt gehört zu den wichtigsten Aufgaben im nächsten Jahrhundert. Unser Überleben wird davon abhängen, die Luft rein, das Wasser sauber und den Boden unkontaminiert zu halten und dies einfach, schnell und billig zu überwachen. Auf Nanostrukturlasern basierende, optische Zäune lassen sich dann um Chemiewerke oder Raffinerien ziehen. Sie halten die Sauberkeit der Luft im Auge und schalten selbständig Regelmechanismen ein, um aus der Norm gelaufene Prozesse in diese zurückzuholen.

Gesellschaftliche Prosperität beruhte in den vergangenen beiden Jahrhunderten auf dem Besitz von Rohstoffen - edlen und weniger edlen, welche dann in großen Industrieanlagen, wie Stahlwerken, Raffinerien, Kokereien mit rauchenden Schloten veredelt wurden. Die Nanowelt der Zukunft ist durch eine Entmaterialisierung geprägt. Der entscheidende Rohstoff besteht aus den Rezepten, anhand derer sich zum Beispiel unscheinbare Materie wie Sand profitabel in Silizium umwandeln läßt und der Aufwand an Energie verringert wird.

Kohle existiert nicht nur in Form des Diamanten oder Graphits. Fußbälle, Zwiebeln, Röhren aus nur 60, 70, 80 Kohlenstoffatomen hat man erstmals 1985 synthetisiert. Die Atome sitzen bei diesen "Fullerenen" nur an der Oberfläche. Im Innern sind sie leer. Wasserstoff läßt sich darin bereitwillig und dicht an dicht nieder. Auf solche Weise könnte man Wasserstoff für eine 500 Kilometer lange Fahrt eines PKWs in einem aus Nanoröhren bestehenden Tank unterbringen, der nur 40 bis 50 Kilogramm wiegt. Energie wird lager- und transportfähig gemacht.

Eine effiziente Energiespeicherung hat insbesondere für jene Regionen unseres Planeten eine Bedeutung, die nicht durch eine Leitungsinfrastruktur erschlossen sind - und dies sind einige unserer Kontinente. Wasserstoff, der beispielsweise im Sommer mittels Solarstrom erzeugt wurde, ließe sich für den Winter aufbewahren und damit dann lebenswichtiger Strom erzeugen. Entscheidend ist wiederum die Kenntnis der Rezepturen, um den unscheinbaren Kohlenstoff zu derartigen Nano-Exoten zu veredeln.

Allein ihrer Winzigkeit wegen werden Nanopartikel in der Medizin eine großartige Karriere machen. Nanoverkapseltes Insulin etwa kann nahezu ungehindert durch die Lunge in die Blutbahn gelangen. Zuckerkranke werden daher voraussichtlich die Möglichkeit erhalten, auf Spritzen in Zukunft zu verzichten und statt dessen ein Inhalationsspray zu nehmen.

Eine medikamentöse Behandlung von Hirntumoren ist ungeheuer schwierig, da die dicke Zellschicht an den Blutgefäßwänden des Gehirns nicht nur schädliche Substanzen, sondern auch Medikamente fernhält. Nanopartikel mit Chemotherapeutika werden in Zukunft diese Blut-Hirn-Schranke überwinden, gezielt nach einem Schlüssel-Schloß genannten Prinzip an Tumoren oder deren Metastasen andocken und dort ihre Wirkstoffe zur Entfaltung bringen. Gravierende Nebenwirkungen einer Chemotherapie könnten damit vermieden werden.

Wir wissen schon seit einiger Zeit, daß Magnetbakterien, die in schlammigen Seen entlang der Feldlinien des Erdmagnetfeldes heim in den Schlamm des Bodens finden, winzige Magnetit-Partikel enthalten. Diese Magnetit-Partikel kann man an der Oberfläche so tarnen, daß sie nur an Krebszellen andocken. Werden sie einem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt, wird lokal Hitze erzeugt, die zur Zerstörung des Tumors führt.

Noch sehr viel visionärer sind die Ausflüge in den Nanokosmos, welche der amerikanische Futurologe Eric Drexler macht. Er überträgt unsere Vorstellungen von der Vermehrung und Differenzierung befruchteter Eizellen bis zur Heranbildung eines komplexen Lebewesens auf die Genesis unserer materiellen Umgebung: Staubsauger, Raketen, Autos . . . Mit Hilfe des "Rasterkraftmikroskops" lassen sich einzelne Atome oder Molekülverbindungen bewegen und manipulieren. Noch eleganter ließen sich mittels spezieller Proteine Nanoroboter zusammensetzen: In Nährbrühen vermehren sich diese in großen Massen von selbst, um dann - von Nanocomputern gesteuert - zu fertigen, was wir so begehren. So könnte unsere Wohnumgebung Tag für Tag neu entstehen - während des Frühstücks und abhängig von unserem Seelenzustand.

Den meisten Menschen werden solche Phantasien als unsinnig erscheinen, so wie die Utopien der dreißiger oder fünfziger Jahre damals unsinnig erschienen. Liest man freilich beispielsweise Aldous Huxleys "Schöne, neue Welt" heute, so ist man überrascht, wie weitsichtig er war. Mit großer Wahrscheinlichkeit dürfte der polnisch-lettische Romancier Stanislaw Lem recht haben, der 1971 in seinen Sterntagebüchern schrieb: "Die alpdruckhaften Visionen, die gewisse Futurologen beispielsweise von einer Zukunftswelt entwerfen, die von Abgasen vergiftet, vollgeraucht und in der energetischen und thermischen Barriere steckengeblieben ist, sind unsinnig: In der nachindustriellen Entwicklungsphase bildet sich eine biotische Ingenieurskunst heraus, die alle Probleme dieser Art löst."

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