07.12.12

Kleine Teilchen

Wie Nanotechnologie unseren Alltag dominiert

Sie macht Computer schnell und Autos sauber: Nanotechnik nutzt die Macht der kleinsten Teilchen. Forscher arbeiten unermüdlich an der Weiterentwicklung der Technologie. Doch die ist umstritten.

Von Helge Berlinke
Foto: picture-alliance/ dpa

Klein, kleiner, nano: die sogenannte Nanotechnologie ist auf dem Vormarsch
Klein, kleiner, nano: die sogenannte Nanotechnologie ist auf dem Vormarsch

Damit ein aktueller Sandy-Bridge-Prozessor von Intel zügig Videos umrechnen oder Fotos bearbeiten kann, braucht er Transistoren. Und zwar jede Menge: 2.270.000.000 dieser Schaltungsbauteile stecken in einem Chip, das sind 2,27 Milliarden.

Ein herkömmlicher Transistor hat etwa die Größe eines Fingernagels – 2,27 Milliarden dieser Bauteile würden eine Fläche von mehr als 16 Fußballfeldern beanspruchen. Doch der Intel-Chip ist selbst nur so groß wie ein Fingernagel. Wie lässt sich eine derart gigantische Menge an Bauteilen in einen winzigen Chip packen? Die Antwort heißt Nanotechnik.

Nanotechnik spielt nicht nur in Computern eine immer größere Rolle, sondern auch in unserem Alltag – in vielen Fällen, ohne dass wir davon wissen: Die winzigen Teilchen finden sich inzwischen in Handys, Windkraftanlagen, Fahrzeugen, Kleidung, Sportgeräten, Kosmetikartikeln und sogar in Lebensmitteln. Welche Möglichkeiten, aber auch Risiken die Nanotechnik bringt, lesen Sie hier.

Bauen unterm Mikroskop

Das Wort "Nano" kommt aus dem Griechischen und bedeutet "Zwerg". Doch während man sich unter einem Zwerg noch etwas vorstellen kann, lässt sich die Nanotechnik mit den menschlichen Sinnen nicht erfassen: 1 Nanometer entspricht 1 Milliardstel Meter.

Wer mit so kleinen Teilen arbeiten will, kommt mit Lupe und Lötkolben nicht weit. Stattdessen sind spezielle Mikroskope erforderlich, die ins Reich der Moleküle vordringen. Im Bereich der Mikroelektronik greifen Ingenieure deshalb auf drucktechnische Verfahren zurück.

In der Chipfertigung etwa bringen die Intel-Techniker auf eine Silizium-Scheibe einen hauchdünnen Fotolack auf. Darüber legen sie eine lichtdurchlässige Schablone mit dem Layout der elektrischen Leiterbahnen. Anschließend wird die Scheibe belichtet, und die belichteten Stellen werden aufgebrochen.

Zurück bleiben winzige Leiterbahnen. Mit diesem Verfahren werden auch die Transistoren auf die Silizium-Scheibe aufgebracht. Die kniffligen Prozesse dauern aber lang: Bis aus der Siliziumscheibe fertige Mikrochips entstehen, vergeht rund ein Monat.

Immer kleiner, immer mehr

Damit immer kleinere Geräte und Bauteile immer mehr Leistung bringen, arbeiten Forscher unermüdlich an der Weiterentwicklung der Nanotechnik. So hat ein deutsch-amerikanisches Wissenschaftsteam einen sogenannten Nano-Magnetspeicher entwickelt.

Seine Speicherfähigkeit entspricht der des menschlichen Erbmaterials, das heißt: Er benötigt für 1 Bit nur 12 Atome. Aktuelle Festplatten benötigen Zigtausende Atome pro Bit. Wenn diese Technik serienreif ist, steht also der nächste Quantensprung in der Speichertechnik bevor.

Irgendwann ist Schluss mit immer kleiner

Doch die bahnbrechenden Erfindungen in der Nano-Elektronik bedeuten auch, dass sich die Ingenieure den Grenzen der Physik nähern. Irgendwann ist Schluss mit immer kleiner: Intel beispielsweise hat einen dreidimensionalen, 20 Nanometer großen Transistor entwickelt. Davon würden 100 Millionen Stück auf eine Nadelspitze passen.

Viele Forscher bezweifeln, dass es da noch viel "Luft" nach oben gibt – Atome lassen sich nicht verkleinern. Bei der Herstellung von Bildern zum Beispiel haben Forscher nach der Grenze des Machbaren auch die des Sinnvollen überschritten: Sie haben ein Verfahren entwickelt, das eine Auflösung von 100.000 dpi ermöglicht.

Damit können sie Fotos mit Details erstellen, die kleiner als 2 Millimeter sind. Mit bloßem Auge sind die Unterschiede zu einem herkömmlichen Druck aber gar nicht zu erkennen. Deshalb eignet sich das Verfahren nicht für Bildbände, sondern allenfalls für die Datenspeicherung oder für die Gestaltung von Wasserzeichen.

Nano fährt mit

Handfeste Vorteile bringt die Nanotechnik dagegen im Auto. Die winzigen Teilchen sitzen im Lack der Karosserie, in Reifen, Sitzpolstern oder in den Batterien von Hybrid- und Elektroautos. In Luftfiltern etwa spielen Nanoteilchen ihre besondere Stärke aus.

Denn je kleiner die Teilchen sind, um so mehr Oberfläche haben sie im Verhältnis zum Volumen. Deshalb haben Nanofasern in der Klimaanlage eine relativ große Fläche zum Filtern der Luft, sie erzeugen aber kaum Strömungswiderstand. Das spart Energie.

Und wenn die Windschutzscheibe eine Antireflexbeschichtung im Nanometerbereich hat, bricht sie das einfallende Licht weniger stark und verschont so den Fahrer vor allzu unangenehmen Spiegelungen.

Tropfen springen wie Gummibälle

Den perfekten Durchblick haben Wissenschaftler am Massachusetts Institute of Technology: Sie haben ein Glas entwickelt, das Reflexionen verhindert. Wasser perlt daran ab und säubert es zugleich. Der Grund sind kleine Nanozapfen, die nach oben spitz zulaufen.

An diesen prallen Wassertropfen ab wie Gummibälle. Anwendungsmöglichkeiten für diese Technik sind neben Windschutzscheiben Bildschirme, Displays, Mikroskope und Kameras. Solarzellen sollen mit dieser Technik mehr Licht aufnehmen und nutzen.

Noch müssen wir allerdings Auto, Brille, Bildschirme und andere Gerätschaften selber putzen. Aber auch dabei hilft die Nanotechnik: Viele Reinigungsmittel enthalten kleinste Partikel, die die Wirkung erhöhen sollen. Werbewirksam steht oft "Nano" auf der Packung.

Nach Genfood jetzt Nanofood?

Doch die Nanotechnik ist umstritten. Laut einer Allensbach-Umfrage finden 37 Prozent der Deutschen die Technologie sogar "unsympathisch" und wollen sie auf keinen Fall im Essen haben.

Dabei landet Nano-Essen auf fast jedem Teller: In Salzen und Salatsoßen sorgen Nanoteilchen als Trennmittel dafür, dass Kristalle und Kräuter locker herausrieseln. Und für die sogenannte H-Milch werden die Fettpartikel so stark zerkleinert, dass sie sich mit dem Wasser verbinden und sich besser verdauen lassen. Diese "Homogenisierung" ist im Grunde auch eine Nanotechnik.

Ansonsten halten sich deutsche Lebensmittelhersteller mit der Entwicklung von Nano-Essen jedoch zurück. Anders als in den USA, wo solche Produkte so selbstverständlich wie Gen-Mais längst in den Regalen der Supermärkte stehen.

Vorsicht, Nanosilber!

Genährt wird die Skepsis der Verbraucher von Verbraucherschützern, Umweltverbänden und sogar vom Bundesumweltamt. Einhellig warnen sie, dass Nanopartikel in bestimmten Fällen die Erbsubstanz der Zellen schädigen können.

Wie und in welcher Form muss jedoch von Fall zu Fall geprüft werden. Denn über die Giftigkeit von Partikeln entscheidet nicht nur die Größe. Auch Form, Menge oder die elektrische Ladung an der Oberfläche spielen eine Rolle.

In die Kritik geraten sind Nanosilberpartikel in Kleidungsstücken. Sie wirken antibakteriell und verhindern unangenehme Gerüche. Auch in Zahnpasten wird Nanosilber verwendet. Experten wie Jürgen Thier-Kundke vom Bundesinstitut für Risikobewertung (BfR) empfehlen, auf solche Produkte zu verzichten, weil die kleinen Metallteilchen Lunge und Leber schädigen könnten.

Das Problem: Die Hersteller bezeichneten ihr Produkt bislang gerne als "antibakteriell". Der Begriff "Nanosilber" stand nur selten auf der Packung. Doch ab dem 1. Januar 2013 ist vorgeschrieben, dass in Kosmetikartikeln enthaltene Nanoteilchen gekennzeichnet werden.

Eisenteilchen gegen Krebs

Dass Nano aber auch heilen kann, beweist die Berliner Firma MagForce mit ihren klitzekleinen, in einer Flüssigkeit enthaltenen Eisenteilchen zur Bekämpfung von Gehirntumoren. Die werden direkt in das kranke Gewebe gespritzt. Anschließend kommt der Patient in eine Röhre, in der sein Kopf mit Magnetstrahlen behandelt wird. Die Eisenteilchen werden dort so stark erhitzt, dass Tumorzellen absterben.

Noch geforscht wird an sogenannten Carrier-Transport-Systemen für den gezielteren Einsatz von Medikamenten. Heilende Stoffe sollen in eine Art Nano-Taxi verfrachtet werden, das genau weiß, an welchem Ziel es seine "Passagiere" absetzt.

Das Fahrzeug von Ben Faringa werden sie dazu aber wohl nicht nutzen: Der niederländische Wissenschaftler präsentierte 2011 das "kleinste Auto der Welt" – ein elektrisches Mobil von 1 Nanometer Länge mit Allradantrieb und vier molekularen Motoren.

Quelle: Computer Bild. Mehr zum Thema finden Sie in der Computer Bild, Ausgabe 25/2012.

Foto: HTC

HTC One X Plus:
Im Gehäuse des vom HTC One X abstammenden HTC One X Plus arbeitet ein Tegra-3-Prozessor mit vier Rechenkernen mit bis zu 1,7 Gigahertz. Der 4,7-Zoll-Touchscreen bietet 1280x720 Bildpunkte. Das One X Plus punktet mit üppigem Speicher, tollem Display sowie Top-Arbeitstempo. Die Software ist gut und die Verarbeitung hochwertig.
Testnote: gut (1,78)
Stärken: Großes, scharfes Display, sehr hohes Arbeitstempo, flüssige und einfache Bedienung, hohe Grafikleistung, NFC, sehr großer Gerätespeicher, guter Klang beim Telefonieren, zeigt trotz Android 4.1 Flash-Videos
Schwächen: Kein Speicherkartenschacht, Akku fest verbaut, schlechte Bildqualität bei schwacher Beleuchtung
Test: HTC One X Plus
Ab 559,95 EUR bei idealo.de

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