Materialforschung – Experten-Interview

Interview mit Richard E. Smalley

Im Jahr 2002 investierte die US-Regierung mehr als 600 Mio. US-$ in Nanotechnologie-Forschung. Steht uns nach dem Internet-Hype nun ein Nanotech-Hype bevor?

Smalley: Nicht in dem Ausmaß. Denn die Nanotechnologie ist nicht so verführerisch wie das Internet. Einer der verlockendsten Aspekte des Dot-com-Zeitalters war, dass man ohne Infrastruktur Geld verdienen konnte. Man brauchte eine gute Idee und eine Website, und schon sprudelte das Geld. Die Nanotechnologie funktioniert nicht so simpel. Es ist die Kunst, Stoffe zu produzieren, die etwas im Nanometermaßstab bewirken. Heute sind die Materialien vielleicht aufregender als die, die wir seit Jahrtausenden haben, aber wir müssen sie immer noch produzieren. Es wird bei Investoren und Start-up-Unternehmen zu keinem Hype wie in den zwei Blütejahren des Internets kommen. Aber der Siegeszug der Nanotechnologie wird viel länger anhalten.

Und sie hat ein enormes wirtschaftliches Potenzial...

Smalley: Ja, aber noch wurde nicht wirklich viel investiert. Die Risikokapitalgeber in den USA, mit denen ich gesprochen habe, sind sehr vorsichtig. Die 600 Mio. US-$ wurden fast nur in die Grundlagenforschung gesteckt. Ich halte das auch für keine große Summe. Eigentlich müsste wesentlich mehr Geld fließen.

Viele Leute wissen sehr wenig über Nanotechnologie. Haben Sie ein gutes Beispiel dafür, was sie leisten kann?

Smalley: Eines meiner Lieblingsbeispiele ist eine lange Kohlenstoff-Nanoröhre – ein so genannter Quantendraht. Dieses Material könnte Strom wesentlich besser transportieren als Kupfer, hätte nur ein Sechstel des Gewichts und bestünde zudem aus erheblich stärkeren Fasern (siehe Beitrag "Kleine Ursache, große Wirkung". Die Red.). Wenn wir es schaffen, solche Nanoröhren günstig herzustellen, könnten wir damit ein weltumspannendes Stromnetz aufbauen. Nanoröhren werden die Welt verändern.

Werden solche Quantendrähte in Ihren Labors erforscht?

Smalley: Und ob. Seit mehr als zehn Jahren widmet sich mein Team ausschließlich den Kohlenstoff-Nanoröhren. Wir stellen sie her, erforschen sie und versuchen herauszufinden, welchen praktischen Nutzen sie haben. Die meiste Zeit arbeiten meine Studenten mit einer speziellen Röhre, die nur eine einzige Kohlenstoffschicht hat und wie ein winziger Strohhalm aussieht. Wir konzentrieren uns zunehmend darauf, derartige Fasern kontinuierlich zu spinnen und wie Einkristalle wachsen zu lassen.

Wie lang ist denn die längste von ihnen?

Smalley: Etwa 0,1 mm. Aber wir können die Nanoröhren auch zu durchgehenden Fasern verarbeiten, die viele Meter lang sind, genauso, wie man Baumwollfasern spinnt. Dabei müssen die einzelnen Nanoröhren nur ein paar Mikrometer lang sein, weil die Elektronen mühelos von Röhre zu Röhre springen. Könnte man damit einen Elektromotor bauen, wäre seine elektrische Leistung viel höher als bei den heutigen.

Wann glauben Sie, ist das der Fall?

Smalley: Ich schätze, dass das innerhalb der nächsten fünf Jahre machbar ist.

Welche Bereiche der Materialwissenschaft werden Ihrer Meinung nach den größten Durchbruch erleben?

Smalley: Wahrscheinlich werden Autos und Flugzeuge in ein paar Jahrzehnten nur noch zu einem geringen Teil aus Metall bestehen. Dabei werden nicht nur Wandverkleidungen, sondern auch die meisten tragenden Elemente durch neue Materialien ersetzt, die in vielen Fällen bis ins letzte Atom exakt positioniert sind, und überwiegend aus Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Keramik bestehen.

Und in anderen Bereichen?

Smalley: Ich bin mir ziemlich sicher, dass auch der Verbrennungsmotor in ein paar Jahrzehnten ausgedient haben wird. Stattdessen werden wir mit billigen Brennstoffzellen fahren. Um deren Kosten zu senken, kommt wieder die Nanotechnologie ins Spiel. Ein anderes Beispiel sind Computer und andere elektronische Geräte. Die Verdoppelung ihrer Leistungsfähigkeit alle 18 Monate – also Moore's Gesetz – wird so weitergehen, wenn nicht sogar noch schneller werden. Dank Nanoelektronik werden wir Computer sogar in unsere Kleidung einweben können.

Wann werden denn die ersten Nano-Anwendungen auf den Markt kommen?

Smalley: Die gibt es bereits, z.B. Mikrochips aus Kunststoff. Wenn sie nicht mehr kosten als einen Cent pro Stück, kann man sie auf Verpackungen kleben. Im Supermarkt werden diese Chips auf den Waren dafür sorgen, dass die Beträge an der Kasse automatisch von der Kreditkarte abgebucht werden. Solche Schaltungen werden bereits produziert, und innerhalb der nächsten zehn Jahre werden sie wohl flächendeckend eingesetzt. (siehe Pictures of the Future, Herbst 2002, Beitrag "Chips von der Rolle". Die Red.)

Auch Siemens produziert solche Polymerchips. Das ist also auch Nanotechnologie?

Smalley: Ja, sicher. Diese leitfähigen Polymere funktionieren, weil ihre Atome auf eine ganz bestimmte Weise angeordnet sind. Sie wurden im Nanometermaßstab gebaut. Im Übrigen besteht auch das Speichermedium im Computer zu einem Großteil aus Nanobauelementen, nämlich aus den in den Festplatten enthaltenen extrem dünnen Magnetschichten. So nimmt Jahr für Jahr die Speicherdichte der Festplatten sehr schnell zu, während ihre Kosten sinken. Das ist ein Milliarden-Dollar-Geschäft, und es ist zweifelsohne Nanotechnologie.

Siemens arbeitet auch an Fotodetektoren aus Fullerenen, und Forschern ist es gelungen, daraus Solarzellen herzustellen – ein weiteres Feld mit Zukunft?

Smalley: Ja, absolut. Das bringt mich zurück zum Thema Energie. Von allen Primärenergiequellen ist nur die Sonnenenergie in ausreichender Menge vorhanden, doch sie wird noch viel zu wenig genutzt. Ihre Ausbeute muss drastisch verbessert werden. Eine Forschung wie diese führt uns auf den richtigen Weg.

Gibt es auch Schattenseiten? Michael Crichton lässt in seinem neuen Roman "Prey" (Beute) Nanoroboter sich fortpflanzen und ihre Schöpfer angreifen. Wäre so etwas jemals denkbar?

Smalley: Nein (lacht). Allerdings kann ich nicht viel dazu sagen, weil ich das Buch nicht gelesen habe. Natürlich muss ein Wissenschaftler, wenn er an etwas arbeitet, das sich selbst repliziert, extrem vorsichtig sein. Aber wir sind weit davon entfernt, etwas Lebendiges zu schaffen, daher ist das eine unsinnige Frage.

Warum sollte es aber unmöglich sein, dass Nanomaschinen Atom für Atom aneinandersetzen und so etwas Neues bauen? Rastertunnelmikroskope können doch auch Atome bewegen und sie an eine beliebige Stelle setzen.

Smalley: Es geht hier um etwas anderes, nämlich sich selbst replizierende Nanoroboter. Es ist extrem schwierig, einen Nanoroboter zu bauen, der Atome so manipuliert, dass er Beliebiges bauen und obendrein eine Kopie von sich selbst herstellen kann. Das bedeutet, er muss Atome in drei Dimensionen kontrollieren – und das in Perfektion.

Und dazu sehr schnell...

Smalley: Genau. Daher ist es kein großer Fortschritt, wenn man mit einem Rastertunnelmikroskop ein Atom von einem Molekül wegnimmt und auf ein anderes setzt.

Aber es weist in diese Richtung...

Smalley: Ja, aber versuchen Sie mal, mit Roboterarmen das nachzumachen, was in einer lebenden Zelle passiert. Je mehr Sie sich damit beschäftigen, desto mehr werden Sie erkennen, was das für eine unglaubliche Herausforderung ist. In der Biologie nennt man solche Roboter Enzyme. Aber auch sie können nicht beliebig Bindungen manipulieren, sondern nur ganz bestimmte Strukturen fertigen.

Das, was in lebenden Zellen funktioniert, geht also nicht in künstlicher Umgebung?

Smalley: Richtig. Ich glaube schon, dass wir winzige Maschinen bauen werden, die zu unglaublichen Dingen fähig sind. Allerdings denke ich nicht, dass wir jemals in der Lage sein werden, etwas herzustellen, das wirklich winzig ist und gleichzeitig eine Kopie von sich selbst anfertigen kann – also in dem Sinne lebendig wäre. Vergessen Sie mal die Nanowelt. Schauen Sie sich die Welt an, in der wir leben. Wir haben noch nie einen Roboter gebaut, der aus Erde, Luft, Feuer und Wasser einen anderen Roboter baut – oder gar seine eigenen Einzelteile herstellt und sie dann selbst zusammensetzt. Ich glaube zwar, dass das möglich wäre, aber die interessante Frage ist: Wie klein könnte er wohl sein? Ich arbeite seit Jahrzehnten im Nanometerbereich und bin mir ziemlich sicher, dass das niemals in diesem Maßstab funktionieren wird.

Sie sehen die Nanotechnologie also als Chance, nicht als Gefahr?

Smalley: Absolut. Nanotechnik wird die Welt verändern. Sie wird unsere Energiegewinnung, unsere Informationstechnologie und unser Verkehrssystem revolutionieren. Und ich bin mir ziemlich sicher: Sie wird uns nicht umbringen.

Das Interview führte Norbert Aschenbrenner