Ziele
Nanostrukturen - eine Übersicht
Nanostrukturen sind aus Atomen oder Molekülen aufgebaute Systeme, die Abmessungen von der Größenordnung eines milliardstel Meters besitzen. Den verschiedensten Nanostrukturen sind aber nicht nur ihre geringen Dimensionen gemeinsam, sondern ihre speziellen physikalischen, chemischen und biologischen Eigenschaften. Mit der gezielten Präparation und Analyse solcher Systeme lassen sich daher völlig neue Materialien mit maßgeschneiderten Charakteristika und Funktionen realisieren. Nanostrukturen sind damit ein für die Grundlagenforschung wie auch für zahlreiche Anwendungen - sei es in der Informationstechnologie, den Materialwissenschaften, der Biosensorik, der Molekularbiologie oder der medizinischen Diagnostik - höchst interessantes, interdisziplinäres und zukunftsweisendes Forschungsgebiet. Ihm widmet sich das wissenschaftliche Zentrum der Universität Kassel, das
Center for Interdisciplinary Nanostructure Science and Technology - CINSaT.
Im Rahmen des Zentrums arbeiten die Institute für Biologie, Chemie, Physik, das Institut für Nanostrukturtechnologie und Analytik (INA), sowie die Fachbereiche Elektrotechnik, Bauingenieurwesen, Maschinenbau und Philosophie in interdisziplinären Forschungsprojekten eng zusammen, um die Grundlagenforschung auf diesem Gebiet voranzubringen, eine wichtige Zukunftstechnologie mitzugestalten und durch effizienten Technologietransfer an der Stärkung Hessens als Hochtechnologie-Standort mitzuwirken.
Motivation und Ziele
Die Nanostrukturwissenschaften sind nicht nur eines der wissenschaftlich aktuellsten und spannendsten Forschungsgebiete, sondern bilden auch die Basis für eine der Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Weltweite, umfassende Forschungsaktivitäten belegen immense Bedeutung von Forschung und Entwicklung auf diesem Gebiet. Die Zielsetzung des interdisziplinär ausgerichteten Wissenschaftlichen Zentrum Center for Interdisciplinary Nanostructure Science and Technology konzentriert sich auf zwei große Themenkreise:
- In enger Kooperation von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Disziplinen Physik, Chemie, Biologie und Elektrotechnik sollen neuartige Nanostrukturen hergestellt, auf ihre außergewöhnlichen Eigenschaften hin untersucht und - soweit möglich - die Nutzung der Forschungsergebnisse in Zusammenarbeit mit industriellen Partnern gefördert werden. Dabei ist geplant, neue Wege zur Synthese von Nanostrukturen zu gehen, wobei weniger den klassischen lithographischen Verfahren als selbstorganisierenden und lichtinduzierten Prozessen maßgebliche Bedeutung zukommt. Im Mesokosmos der Nanostrukturen sollen biologische Bauprinzipien und Wachstumsprozesse als Vorbild, die Methoden der Supramolekularen Chemie, d. h. selbstorganisierende Aggregation durch molekulare Erkennung, als Instrumentarium dienen. Die Messung molekularer Kräfte in Biomolekülen und die Untersuchung ihrer Dynamik ist ebenfalls ein wichtiges Teilgebiet. Ein wesentlicher Gesichtspunkt wird ferner die Kombination anorganischer und organischer Materialien sein sowie deren Verknüpfung und Strukturierung auf molekularer Ebene bis hin zum Zusammenwirken von klassischer Halbleiterelektronik und lebender Materie.
- Ein bedeutender Aufgabenbereich besteht ferner darin, parallel zur Herstellung von Nanostrukturen Methoden zu deren Charakterisierung mit höchster Zeit- und Ortsauflösung weiterzuentwickeln und nutzbar zu machen. Dabei spielen zum einen bildgebende hochauflösende Rastersondenmikroskopien, zum anderen moderne optische Verfahren bis hin zur Entwicklung einer «Nano-Optik» die entscheidende Rolle. Beispiele sind grenzflächenspezifische optische Frequenzverdopplung, konfokale Mikroskopie, Mehrphotonenmikroskopie, optische Nahfeldmikroskopie sowie zeitaufgelöste Ultrakurzzeitverfahren mit Femtosekundenlaserpulsen. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, daß optische Verfahren nach weltweit übereinstimmender Einschätzung eine technologische Schlüsselfunktion im neuen Jahrhundert mit ähnlicher wirtschaftlicher Relevanz wie elektronische Techniken im 20. Jahrhundert erlangen werden.
Das Forschungszentrum hat sich ferner zum Ziel gesetzt, Lehrveranstaltungen mit neuen, zukunftsträchtigen Curricula, insbesondere einen interdisziplinären Diplomstudiengang »Nanostrukturwissenschaft - Nanostructure and Molecular Science« anzubieten. Die inhaltliche Ausrichtung und Konzeption des Center for Interdisciplinary Nanostructure Science and Technology an der Universität Kassel unterscheidet sich wesentlich von anderen Forschungsschwerpunkten zum Themengebiet der Nanostrukturwissenschaften, die nahezu ausschließlich auf die Initiative einzelner Fachbereiche, insbesondere von Physik-Departments, zurückgehen. Im Gegensatz dazu stellt das Kasseler Zentrum bereits bei seiner Gründung den interdisziplinären Charakter des Forschungsgebiets in den Vordergrund.
Autor: Prof. Dr. Frank Träger
CINSaT
- Die Strukturen, welche Nanowissenschaftler erforschen, sind unvorstellbar klein, ihre technischen Möglichkeiten und ökonomischen Effekte aber unvorstellbar groß. Ökonomen schätzen den Markt, der sich mit der Nanotechnologie eröffnet, auf "viele Milliarden Dollar". Sie vergleichen den gegenwärtigen Entwicklungsstand der Nanotechnologie mit jenem der Informationstechnologie in den achtziger Jahren, lange bevor Mobiltelefone in jedermanns Tasche piepten, Laptops auf jedermanns Schoß ihre Nutzer online in alle Kontinente verbanden und das Worlwideweb in nahezu alle Winkel nicht nur der freien Staaten, sondern auch der nicht-demokratischen Länder gesponnen war. Informationen waren fortan kaum noch Grenzen
Ein Länge von 0,000 000 001 Meter: Winzigste Strukturen mit riesigem technischen und ökonomischen Potential
CINSaT ist auf dem Gebiet der Nanotechnologie Impulsgeber für nachhaltige Veränderungen unserer Welt.
Für die Finanzanalysten gilt die Nanotechnologie als der Auslöser eines kommenden Entwicklungsschubes, der – ähnlich der erlebten Computerisierung – nicht nur Ausschnitte der Arbeitswelt oder der Freizeit verändern wird, sondern unser aller Leben rund um den Globus. Abermals könnte eine Evolution der Technik einsetzen, die uns schon wenige Jahre später im Rückblick wie eine Revolution erscheinen wird. Ein Impulsgeber dieser erwarteten Veränderung, die längst von den meisten unbemerkt begonnen hat, ist das Center for Interdisciplinary Nanostructure and Technology (CINSaT), eines von drei Wissenschaftlichen Zentren an der Universität Kassel. In der Weltliga der Nanostrukturforscher spielen die Kasseler weit oben mit. Der Sprecher des CINSaT, Frank Träger, ist Chef-Herausgeber von Applied Physics B, einer angesehenen internationalen Zeitschrift auf den Gebieten von Optik und Lasern und er organisiert Kongresse in den USA wie beispielsweise im Rahmen von „Photonics West“.
- Die Abbildung illustriert unterschiedliche Zeitskalen bis hin zu ultrakurzen Femtosekundenlaserpulsen, wie sie in der modernen Nanotechnologie eine große Rolle spielen.
Kasseler Wissenschaftler bestreiten die Diskussion auf Fachtagungen in Ländern wie Japan, an denen nur eine handverlesene Zahl von Ausländern teilnimmt, die aus Hessen, vom Argonne National Laboratory, der University of California und anderen renommierten Institutionen kommt.
Nach Kassel ging schon im Jahr 2000 der Philip-Morris-Forschungspreis. Geehrt wurden der Physiker Thomas Baumert gemeinsam mit Prof. Gerber und Dr. Seyfried, Universität Würzburg, für die Steuerung chemischer Reaktionen mit maßgeschneiderten ultrakurzen Laserpulsen. Baumert, Leiter der Kasseler Arbeitsgruppe „Femtosekundenspektroskopie“, arbeitete früher am California Institute of Technology in Pasadena in der Gruppe des Chemikers Achmed Zewail, der für seine Arbeiten mit ultrakurzen Lichtpulsen, mit denen sich chemische Reaktionen in Echtzeit verfolgen und steuern lassen werden, 1999 den Nobelpreis für Chemie erhielt.
Die Maßeinheit Nanometer bezeichnet eine Länge von 0,000000001 Meter. Zum Vergleich: Eine biologische Zelle mißt etwa 1000 Nanometer und der Durchmesser eines Haares 10000 Nanometer. Ein Mensch ist bis zu zwei Milliarden Nanometer groß. In solche Dimensionen vorzustoßen, dem höher, weiter, schneller den umgekehrten Superlativ des kleiner, kleiner, kleiner entgegenzusetzen, ist in den Technik- und Naturwissenschaften nicht neu. Die Frage nach dem Wie und Warum führt in die Tiefe der Strukturen und fördert Präzision etwa in der Mikroskopie, aber auch in der Himmelsbeobachtung, wie schon die Exponate im Kasseler Museum für Astronomie und Technikgeschichte zeigen: Immer bessere optische Systeme erfassen immer winzigere Strukturen und immer kleinere Uhren messen immer präziser stets schrumpfende Zeitsequenzen. In der Nanotechnologie messen die Wissenschaftler die Zeit heute in Femtosekunden. Eine Femtosekunde ist 0,000000000000001 Sekunden kurz, siehe obige Abbildung.
- Gold-Nanoteilchen auf Saphir. Der mittlere Teilchenradius beträgt sieben Nanometer.
- DNA Molekül mit einer gebundenen RNA Polymerase (molekulare Maschine zum Ablesen der DNA)
Nicht nur wissenschaftliches Interesse führt die Wissenschaftler in die Nanostrukturen. Nutzanwendungen ergeben sich zum Beispiel, weil bestimmte Stoffe als Nanostrukturen oder -teilchen andere Eigenschaften haben und andere Funktionen übernehmen können als in makroskopischer Größe. Gold zum Beispiel kennen wir aus dem Alltag in makroskopischer Größe und schätzen es wegen
seiner Eigenschaften, die es in dieser Größe besitzt. Gold nimmt an chemischen Reaktionen praktisch nicht teil, es läuft zum Beispiel nicht an, glänzt als Schmuckstück oder stellt sichere elektrische Kontakte her. Als Nanoteilchen reagieren Goldpartikel aber sehr wohl. Da kann Gold ein Katalysator für die Wandlung des giftigen Kohlenmonoxyd in das ungiftige Kohlendioxyd sein.
Die Nanotechnologie kann helfen, bestimmte Wirkstoffe im Körper nur an bestimmte Stellen zu bringen, indem zum Beispiel die Strukturen des Körperinneren wie ein mechanisches Gitter genutzt werden. Der Wirkstoff wird so klein gemacht, daß er nur dorthin paßt, wo er hingelangen soll. Winzige Instrumente, die in Kassel entwickelt werden, wie eine Nano-Nase, das kleinste Thermometer der Welt oder Laser in miniaturisiertester Form helfen gleichermaßen zu forschen – etwa Zellstrukturen freizulegen –, als auch zu fertigen, – etwa Nanoteilchen einheitlicher Größe und Form. Ein Zwang zur Miniaturisierung geht von der Elektronik und der Informationstechnologie aus. Immer mehr Informationen sollen in immer kürzerer Zeit verarbeitet werden. Weil aber die Geschwindigkeit, mit der die Information als elektrisches oder als Licht-Signal fließt, durch die endliche Lichtgeschwindigkeit fest vorgegeben ist, können die Informationsströme nur dadurch ihr Ziel schneller erreichen, daß die Wege, die sie zurückzulegen haben, verkürzt werden. Die Bauteile müssen kleiner werden.
- Ausschnitt aus der supramolekularen Struktur einer etallorganischen Goldverbindung im Kristall (atomare Auflösung, Ergebnis einer Einkristall-Röntgenstrukturanalyse). Die Bindung der zweibeinigen, sich von Ferrocen ableitenden Moleküle an das Band aus Goldatomen dient als Modell für das Anhaften solcher Moleküle auf einer Goldoberfläche.
Diesen Trend zur Kleinheit erkannten die Kasseler Naturwissenschaftler früh. Einer von ihnen, der Physiker Rainer Kassing gründete hier das Institut für Mikrostrukturtechnologie und Analytik (IMA), das – gemeinsam mit dem Fachbereich Elektrotechnik betrieben – inzwischen eine wichtige Säule des CINSaT
ist und ein erster Partner für eine interdisziplinäre Kooperation mit der biologischen Arbeitsgruppe um Wolfgang Nellen war. Eine geschickte Berufungspolitik führte weitere Wissenschaftler nach Kassel, die sich den Nanostrukturen zuwandten, wie den Elektrotechniker und Physiker Hartmut Hillmer, den Biologen Markus Maniak, die Chemiker Josef Salbeck, Ulrich Siemeling und Rüdiger Faust, den Oberflächenphysiker René Matzdorf und den Biochemiker Friedrich Herberg.
Das Zusammenwirken der verschiedenen Disziplinen ist – im wahrsten Sinne des Wortes – aus der Natur der Sache notwendig und – ebenfalls wie in der Natur – befruchtend. Die Differenzierung in Physik, Chemie, Biologie und Elektrotechnik ist eine Hilfskonstruktion der Wissenschaft, um die Natur in ihrer Gesamtheit zu begreifen, wo der Blick des Einzelnen nicht weit oder tief genug reicht. Schließlich aber ist es die Ausdifferenzierung der Disziplinen die zum ganzheitlichen, – im besten Wortsinne – naturwissenschaftlichen Blick auf die Dinge zurückführt. Erst der umfassende Blick auf eine Sache aus allen Perspektiven erlaubt ihre Entschlüsselung. Die Wissenschaftler lernen voneinander, profitieren, indem sie die Instrumente entwickeln, mit denen sie in die Tiefe der Dinge dringen, denn eine gefundene Antwort führt stets zu einem Bündel neuer Fragen. Die klassischen Disziplinen der Naturwissenschaften und der Elektrotechnik werden daher im neuen Studiengang „Nanostrukturwissenschaft“ zusammengeführt.
- Polarisationsgeformte Femtosekundenlaserpulse für Anwendungen in der Nanotechnologie.
Schon Mitte der neunziger Jahre, als sich an der Kasseler Hochschule die Erkenntnis durchsetzte, daß nur die Profilierung, die Konzentration auf ausgesuchte Zentren von Exzellenz die junge Universität mit ihrer naturwissenschaftlich-technischen Tradition in der wachsenden Welt der Wissenschaften herausragen lassen konnte, definierte die Universität die Nanotechnologie als einen ihrer künftigen Leuchttürme, den es zu errichten galt. Die Natur- und Technikwissenschaftler nutzten die Krise als Chance, als sie in der zweiten Hälfte der neunziger Jahre den drohenden Niedergang der Chemie in Kassel abwandten, und den Fortbestand dieser Naturwissenschaft neben Biologie und Physik sicherten, denn die Nanowissenschaft braucht alle diese Naturwissenschaften. „Heute“, sagt Frank Träger, „ist unsere Chemie nicht groß, aber ausgezeichnet.“
Im Sommer 2001 fanden die Repräsentanten von acht Arbeitsgruppen, informell zusammen. Im November 2002 wurde das CINSaT von der damaligen Wissenschaftsministerin Ruth Wagner (FDP) offiziell eröffnet, nicht zuletzt „um Deutschlands führende Position auf diesem Zukunftsfeld an der Weltspitze zu halten.“ Universitätspräsident Postlep prophezeite, das Zentrum werde nicht nur national und international eine Rolle spielen, sondern auch regional seine Wirkung entfalten. Hiervon sind auch alle CINSaT Mitglieder überzeugt. Aus der Hochschule sind unterdessen die Oberflächenphysik und die Biochemie als weitere Forschungsbereiche zum CINSat hinzugekommen, aber auch die Technikwissenschaften sind an der Mitwirkung interessiert. Etwa 100 Wissenschaftler arbeiten unter dem Dach des Wissenschaftszentrums. Das Land Hessen unterstützt die Arbeit mit etwa 600000 Euro im Jahr aus dem Innovationsfonds seines Landesforschungsschwerpunktprogramms. Drittmittel fließen über Projekte der deutschen Forschungsgemeinschaft in Grundlagenforschung. Das Bundesforschungsministerium unterstützt anwendungsbezogene Arbeiten. Vor allem aber die Europäische Union wird als Förderer immer wichtiger. Europäische Mittel fließen, wenn europäisch, also über nationale Grenzen hinweg geforscht wird.
- Atomar aufgelöste Topografie einer Mika-Oberfläche
- Rasterkraftmikroskop zur Abbildung von Nanostrukturen
Das CINSaT forscht mit Erfolg. Jahr für Jahr melden seine Wissenschaftler im Durchschnitt einmal im Monat ein Patent an. Das CINSaT kooperiert freilich auch mit der Industrie, etwa einem Medizinkonzern, oder strebt eine Zusammenarbeit mit einem Automobilhersteller an. Schließlich will das CINSaT Inkubator für Existenzgründer sein. Beispiele für den Erfolg solcher Institute gibt es in den USA und anderswo genug. Schon in der Vorbereitungs- und Gründungsphase von CINSaT haben sich fünf Hi-Tech-Unternehmen ausgegründet. Das sei ein vielversprechender Beginn, sagt Träger: „Wir haben viel vorbereitet. Es kann zu einem Schub kommen binnen eines Jahres. Nordhessen ist wichtig. Aber wir wollen darüber hinaus Erfolg haben. International sind wir freilich schon.“
Autor: Claus-Peter Müller - v. d. Grün
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