Die Nanowissenschaften konnten sich erst entwickeln, als neue Methoden zur Verfügung standen, die den Einblick in die Welt der Atome und Moleküle ermöglichten. 1981 machten Heinrich Rohrer und Gerd Binnig mit der Entwicklung des Rastertunnelmikroskops (STM) den ersten Schritt. Bei diesem Mikroskop tastet eine Sonde – meist in Form einer scharfen Spitze – die Oberfläche einer leitenden Probe zeilenweise ab. Für jeden abgerasterten Punkt auf der Probenoberfläche wird der Tunnelstrom gemessen und gibt Aufschluss über den Abstand zur Spitze. Die daraus erhaltenen Messwerte werden am Computer verarbeitet und zu einem digitalen Bild zusammengesetzt, das ein Profil der Oberfläche wiedergibt.

1986 wurde dann das Rasterkraftmikroskop (AFM) von Gerd Binnig, Christoph Gerber und Carl Quate vorgestellt, das auch die detailgenaue Analyse nichtleitender Proben in atomarer Auflösung möglich macht. Die Mikroskope, die zusammenfassend als Rastersondenmikroskope bezeichnet werden, sind seither vielfältig weiter entwickelt worden und erlauben ganz unterschiedliche Anwendungen.

Natürliche Systeme beobachten

So lassen sich inzwischen biologische Proben in atomarer Auflösung abbilden und die Arbeit der natürlichen Strukturen in lebenden Zellen sogar in bewegten Bildern darstellen. Die Gruppe um den Argovia-Professor Roderick Lim untersucht beispielsweise Kernporenkomplexe, die den Transport von chemischen Verbindungen in und aus dem Zellkern regeln. Das Team hat eine neue Theorie zu der Arbeit der Kernporenkomplexe entwickelt und diese auch mit Filmaufnahmen bestätigt.(Forschungsgruppe Roderick Lim)

Kleinste Kräfte sichtbar machen

Auch physikalische Arbeitsgruppen nutzen die Rastersondenmikroskope, um physikalische Phänomene genau zu untersuchen und besser verstehen zu lernen. Die Gruppe um Professor Ernst Meyer hat beispielsweise erstmals die sehr schwachen Van-der-Waals-Kräfte zwischen einzelnen Atomen gemessen. Diese Van-der-Waals-Kräfte wirken zwischen unpolaren Atomen und Molekülen. Obwohl sie im Vergleich zu chemischen Bindungen sehr schwach sind, spielen sie in der Natur eine grosse Rolle. Sie sind wichtig für alle Prozesse, die mit Haftung, Adhäsion, Reibung oder Kondensation zu tun haben und sind beispielsweise ausschlaggebend für die Kletterkünste von Geckos. (http://www.nature.com/ncomms/2016/160513/ncomms11559/full/ncomms11559.html)

Schon im Jahr 1986 würdigte das Nobelpreis-Komitee die Erfindung des Rastertunnelmikroskops und verlieh den Nobelpreis an Binnig und Rohrer. 30 Jahre nach seiner Entwicklung wurde im Jahr 2016 auch die Entwicklung des Rasterkraftmikroskops mit einem hochdotierten Preis ausgezeichnet. Christoph Gerber, Gerd Binnig und Carl Quate bekamen den Kavli-Preis verliehen, da die Rasterkraftmikroskopie „eine leistungsstarke, vielseitige wissenschaftliche Technik, welche die Nanowissenschaften zum Nutzen der Gesellschaft weiterhin voranbringt“, wie die Kavli-Stiftung in ihrer Medienmitteilung erläutert (https://www.unibas.ch/de/Aktuell/News/Uni-People/Christoph-Gerber-wird-mit-dem-Kavli-Preis-geehrt.html).

Mit Elektronen bessere Auflösung erzielen

Auch die Entwicklung der Elektronenmikroskopie hat einen wesentlichen Beitrag zur Erforschung der Nanowelt geliefert. Ein Elektronenmikroskop bildet das Untersuchungsobjekt mithilfe von Elektronen ab. Da die Wellenlänge eines Elektronenstrahl sehr viel geringer ist als die von Licht, können Elektronenmikroskope sehr viel bessere Auflösungen (bis unter einem Nanometer) als Lichtmikroskope erzielen.

Die Entwicklung der Elektronenmikroskopie begann 1931 als Ernst Ruska und Max Knoll das erste Transmissions-Elektronenmikroskop (TEM) bauten. Für diese bahnbreche Entwicklung bekam Ernst Ruska 1986 den Nobelpreis. Seither haben sich die Elektronenmikroskope enorm weiterentwickelt. Es stehen heute verschiedene Elektronenmikroskope zur Verfügung, die sowohl Oberflächen wie auch innere Strukturen detailgenau abbilden.

Neue Wundermaterialien untersuchen und einsetzen

Nanowissenschaftlerinnen und Nanowissenschaftler weltweit erforschen auch neue Materialien, die dank ihrer besonderen Eigenschaften zahlreiche Einsatzmöglichkeiten bieten. Graphen ist beispielsweise so ein Wundermaterial, das vielfältig eingesetzt werden könnte. Es besteht nur aus einer zweidimensionalen Schicht von Kohlenstoffatomen, die wabenartig angeordnet sind. Graphen ist ein hervorragender Leiter von Strom und Wärme, 300-mal zugfester als Stahl dabei aber flexibel und transparent.

Erst 2004 stellten die beiden Wissenschaftler Konstantin Novoselov und Andre Geim Graphen erstmals her und zwar mit einer erstaunlich simplen Methode. Sie lösten nämlich diese nur ein Atom dicke Schicht mit Tesafilm von einem Graphitkristall ab. 2010 bekamen sie für diese Entdeckung den Nobelpreis für Physik verliehen.

Heute können die dünnen Graphenfolien im Labor hergestellt, gesäubert und aufgespannt werden. So lassen sich die besonderen Eigenschaften von Graphen untersuchen. Wissenschaftler aus der Gruppe von Professor Christian Schönenberger haben mit diesen neuen Methoden beispielsweise herausgefunden, dass Graphen elektrischen Strom fast widerstandslos leitet – was Graphen für zahlreiche Anwendungen sehr attraktiv macht. (https://www.unibas.ch/de/Aktuell/News/Uni-Research/Graphen-Forschung-Elektronen-auf-definierten-Schlangenlinien-unterwegs.html). Andere Gruppen stellten fest, dass Graphen beinahe keine Reibung verursacht und daher als Beschichtung den Energieverlust von Maschinen drastisch reduzieren würde. https://www.unibas.ch/de/Aktuell/News/Uni-Research/Graphen-bewegt-sich-reibungslos-auf-Gold.html

Die Natur genau studieren und als Vorbild nehmen

Zahlreiche Forschende aus den Nanowissenschaften nehmen sich die Natur zum Vorbild und versuchen diese Erkenntnisse zu nutzen. So untersucht die Gruppe um die Professorin Cornelia Palivan künstliche Membranen, die ähnlich aufgebaut sind, wie die natürlicher Zellen. Die Forschenden stellen mit Hilfe dieser künstlichen Membranen winzige Nanopartikel her. In diese können Medikamente oder deren Vorstufen verpackt werden, die dann erst am Wirkungsort freigesetzt werden. Nebenwirkungen sowie die eingesetzten Substanzmengen von Medikamenten liessen sich so deutlich reduzieren. In die künstlichen Membranen lassen sich auch natürliche Proteine einbauen, die beispielsweise den Durchtritt von Wasser erlauben, jedoch darin gelöste Salze zurückhalten. Es bestehen Hoffnungen, mit solch einer Methode Wasser kostengünstig zu entsalzen.

Die Natur dient oft auch als Vorbild, wenn es um den grossen Bereich der strukturierten Oberflächen geht. Diese können durch Mikro- und Nanofabrikationstechniken heutzutage gezielt so verändert werden, dass Schmutz oder Mikroorganismen nicht haften. Textilien beispielsweise können mit diesen Methoden schmutzabweisend gemacht werden aber auch mit kühlenden Eigenschaften ausgestattet werden. In anderen Fällen wie der Herstellung von künstlichen Knochen versuchen Forschende die Oberfläche so zu modifizieren, dass knochenbildende Zellen ideale Bedingungen vorfinden und optimal in das Knochenersatzstück einwachsen können. Wissenschaftlerteams weltweit untersuchen auch Methoden, um Sicherheitsmerkmale mit Hilfe von Nanostrukturen auf Oberflächen herzustellen.

Mit künstlichen Atomen den Quantencomputer realisieren

Ein weites Feld der Nanowissenschaften, das immer wieder für Schlagzeilen sorgt, ist die Entwicklung eines Quantencomputers. Das Team um Professor Daniel Loss hat dazu vorgeschlagen, den Spin einzelner Elektronen für die Entwicklung eines Quantencomputers heranzuziehen. Seiner Theorie zufolge könnten künstliche Atome (Quantendots) für die Realisierung eines Quantencomputers genutzt werden. Allerdings gibt es zahlreiche experimentelle Probleme zu lösen, bevor die Theorie in die Praxis umgesetzt werden kann

Unzählige Fragestellungen und Anwendungen

Die Nanowissenschaften bieten noch viel mehr Möglichkeiten der Anwendung. So sind Nanowissenschaftler:innen beispielsweise auch gefragt, wenn es um die bessere Nutzung von Sonnenenergie geht, wenn neue Sensoren entwickelt werden, wenn schnellere und effizientere Möglichkeiten der Informationsübertragung gesucht werden oder ganz neue Materialien entwickelt werden sollen.

Grundlagenwissenschaftliche Projekte, die in der SNI-Doktorandenschule durchgeführt werden, bilden am SNI die Basis für neue Erkenntnisse. Um ganz konkrete Anwendungen der Nanowissenschaften zu untersuchen, unterstützt das SNI im Rahmen des Nano-Argovia-Programms jedes Jahr etwa 10 angewandte Forschungsprojekte in Zusammenarbeit mit Industrieunternehmen aus der Nordwestschweiz.

In den SNI-Medienmitteilungen und SNI-Jahresberichten finden Sie ebenfalls zahlreiche Beispiele der SNI-Forschung und deren potenzieller Anwendung.