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Historisch-technische Entwicklung
Bereits die alten Römer verwendeten zum Färben von Glas kolloidales Gold oder Silber. Die tiefrote Färbung der Glasfenster in den Kirchen und Kathedralen beruht ebenfalls auf fein verteiltem Gold, das bei der Herstellung von Goldrubinglas zugemischt wird. Je nach Partikelgröße erscheinen die Goldteilchen bei 20 Nanometer rot, größere mit 150 Nanometer erscheinen dagegen violett oder blau [Lit 2]. 
 


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In dem Glas befindet sich kolloidales Gold und Wasser.
Direkt nach der Herstellung erschienen die Goldpartikel rot.
Auf dem Bild rechts ist das gleiche Glas zwei Jahre später zu sehen.  
 

Das rote Gold war schon den Alchimisten im Mittelalter bekannt. Der Begriff Kolloid geht auf den englischen Physiker Thomas Graham (1805-1869) zurück [Lit 3]. Er experimentierte mit Stoffen und Lösungen, die durch Pergamentpapier diffundierten. Dabei entdeckte er, dass die "kolloidalen Substanzen" die Membran nicht passierten, während die "kristalloiden Substanzen" hindurchgingen. Graham führte das Phänomen noch auf eine chemische Eigenschaft der Stoffe zurück. Nach dem heutigen Verständnis hängt es aber von der Größe der Teilchen ab und nicht von den chemischen Eigenschaften der Substanzen. Der österreichisch-ungarische Chemiker Richard Zsigmondy (1865-1929) bekam im Jahr 1925 den Nobelpreis für Chemie für die "Aufklärung der heterogenen Natur kolloidaler Lösungen". 
  
Zsigmondy entwickelte auch zusammen mit dem deutschen Physiker Henry Siedentopf (1872-1940) das Ultra-Mikroskop. Das Auflösungsvermögen eines gewöhnlichen Lichtmikroskops ist aufgrund der Wellennatur des Lichts und der auftretenden Beugungsphänomene begrenzt, so dass man bestenfalls noch Objekte unterscheiden kann, die etwa 0,2 µm voneinander entfernt sind. Beim Ultra-Mikroskop wird in dunkler Umgebung ein Lichtstrahl senkrecht auf die kolloidale Suspension fokussiert. Dabei entstehen Beugungsringe, die im mikroskopischen Abbild als helle Flecken vor dem dunklen Hintergrund erscheinen. Diese Flecken bilden Teilchen bis zu einer Größenordnung von etwa einem Nanometer ab. Das Ultra-Mikroskop ist - wie auch das durch Ruska und Knoll entwickelte Elektronenmikroskop (1931) - ein Gerät, das nicht mehr das direkte Abbild der Natur zeigt, sondern nur noch den "Schatten" eines Objekts, der durch eine experimentelle Anordnung erzeugt wird. Obwohl dieser Schatten nur ein virtuelles Abbild der Naturobjekte darstellt, kann man daraus bestimmte Eigenschaften interpretieren, was von technischem Nutzen ist. 
  


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Beim Rasterelektronenmikroskop (REM) wird im Vakuum über ein Objekt ein durch Magnetspulen oder Kondensatoren fokussierter Elektronenstrahl mit Hilfe einer Ablenkungseinheit geführt ("gerastert"). Die dadurch erzeugten elektrischen Signale - in Form von aus dem Objekt austretenden Elektronen und Röntgenstrahlen - werden gemessen und daraus lässt sich ein "Bild" rekonstruieren. "Farbige" Bilder sind immer im Nachhinein nachkoloriert. Das Auflösungsvermögen eines modernen Rasterelektronenmikroskops liegt bei wenigen Nanometern. 
 
Der US-amerikanische Physiker Richard Feynmann (1918-1988, Nobelpreis Physik 1965) hielt im Jahr 1959 eine Rede, in der er eine Vision für die Miniaturisierung von technischen Geräten und Schaltkreisen in der Zukunft aufstellte. Der Japaner Norio Taniguchi verwendete im Jahr 1974 den Begriff Nanotechnologie als erster, um raue Materialoberflächen zu untersuchen. [Lit 1] Einen Durchbruch stellte die Entwicklung einer neuartigen Gruppe von Mikroskopen in den 1980iger Jahren dar: 
  
 

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Das Rastertunnelmikroskop wurde von dem Schweizer Physiker Heinrich Rohrer und dem deutschen Physiker Gerd Binnig im Jahr 1981 am IBM Forschungszentrum in Rüschlikon bei Zürich gebaut. Die beiden erhielten dafür den Nobelpreis für Physik 1986. Ernst Ruska erhielt übrigens gleichzeitig den Nobelpreis für das schon im Jahr 1931 entwickelte Elektronenmikroskop. Ein Rastertunnelmikroskop besitzt im Gegensatz zum Lichtmikroskop keine optischen Linsen, sondern es fährt mit einer feinen Spitze über die Oberfläche von Materialien, ohne diese zu berühren. Die Spitze besteht aus Platin oder Wolfram. Zwischen der Spitze und dem Objekt fließt ein elektrischer Strom, der je nach Erhebung oder Vertiefung auf der Materialoberfläche variiert. Die Spitze fährt nur wenige Millionstel Millimeter an der Oberfläche entlang. Das Rastertunnelmikroskop misst die Elektronen einer bestimmten Energie auf einem Ausschnitt der Materialoberfläche. Dabei nutzt es den Tunneleffekt: Wenn die Spitze sehr nahe an der Oberfläche entlangfährt, verhalten sich einige Elektronen nicht nach den klassischen Gesetzen der Physik. Sie „tunneln“ und treten vom Material in die Spitze über. Diesen Effekt kann man messen und daraus eine Struktur der Oberfläche des Materials rekonstruieren. Objekte, die mit dem Rastertunnelmikroskop untersucht werden, müssen elektrisch leitfähig sein. 
 
 


Rasterkraftmikroskop Easyscan der Firma Nanosurf   

  
Das Rasterkraftmikroskop funktioniert auch bei elektrisch nicht leitenden Materialien. Es misst die Kräfte, die von den Atomen ausgehen. In der Regel sind es die Van-der-Waals-Wechselwirkungen zwischen Atomen oder Molekülen, die die Messspitze sehr geringfügig auslenken. Ein spezieller Controller steuert die Spitze in äußerst kurzem Abstand über die Oberfläche des Objekts und wertet die Ergebnisse aus. Es war übrigens auch Gerd Binning, der zusammen mit Calvin Quate und Christoph Gerber im Jahr 1986 das Rasterkraftmikroskop entwickelte. 
 
 

Wiederbeschreibbare CD (links) und Speicherchip (rechts)
Rasterkraftmikroskop Easyscan; Fotos: Thomas Seilnacht  
 
 
Zur Ergänzung soll noch hinzugefügt werden, dass es heute auch Lichtmikroskope gibt, die das Problem der Beugung umgehen. Das zu den Fluoreszenzmikroskopen gehörende STED-Mikroskop (Stimulated Emission Depletion) hat einen Auflösungsbereich von wenigen Nanometern. Bei Fluoreszenzmikroskopen werden Präparate mit einem Fluorenzfarbstoff markiert. Ein solcher Farbstoff kann energetisch angeregt werden, nach einem kurzen Zeitraum kann er wieder Licht abgeben, was man auch stimulieren kann. Dieses Phänomen ist als Fluoreszenz bekannt. Durch das Abrastern eines markierten Objekts erhält man ein Abbild der Oberfläche durch das emittierte Fluoreszenzlicht. Ein STED-Mikroskop nutzt diese Technologie und kombiniert sie mit der gezielten Ausrichtung von zwei Laserstrahlen, von denen der eine die äußeren Bereiche des abgetasteten Fokusses ausschaltet. Als Resultat wird ein nur extrem kleiner Ausschnitt dargestellt. 
 
  
Herstellen von Nanomaterialien 

Zur Herstellung von Nanomaterialien benötigt es spezielle Arbeitsverfahren. Dazu genügt es nicht, einen Stoff mechanisch zu bearbeiten und zu verkleinern. Das bloße Zerreiben in einer Kugelmühle reicht nicht aus, vielmehr muss verhindert werden, dass die verkleinerten Teilchen sich wieder zu größeren Einheiten zusammentun [Lit 27]. Um dies zu unterbinden, gibt man Tenside als Dispergiermittel dazu. 
    

 

Kugelmühle mit Edelstahlkugeln zur Herstellung von Pigmenten:
Diese Mühle alleine kann noch kein Nanomaterial herstellen.    

   

Das in Kugelmühlen durch keramische Kugeln zerkleinerte Material wird auch unter "sehr hohem" Druck kompaktiert und verfestigt. Eine andere Möglichkeit wäre das Abschrecken von Schmelzen unter "extremen Abkühlraten" [Lit1, S.83], wobei nanokristalline Strukturen im erstarrten Material entstehen. Ein relativ kompliziertes Verfahren stellt der Sol-Gel-Prozess dar. Vereinfacht dargestellt werden dabei aus Solen - beispielsweise aus kolloidalen Lösungen - dreidimensionale, vernetzte Strukturen erzeugt. Das Produkt kann ein schwammartiges oder viskoelastisches Netzwerk sein, das aus einer festen und flüssigen Phase (Gel) oder aus einer festen und gasförmigen Phase (Aerogel) besteht. Das System kann durch Dipole, durch Wasserstoffbrücken oder durch elektrische Ladungen miteinander verknüpft sein.  
    

Zerteilung
Zerkleinerung
Stabilisierung
Strukturierung
Ergebnis
Beispiele
Zermahlen in Kugelmühle Kompaktierung unter sehr hohem Druck Nanostruktur mit höchst möglicher Dichte
Schmelzen durch Erhitzen Abschrecken unter extremer Abkühlrate Nanokristallines Material
Herstellen einer kolloidalen Lösung (Sol) Sol-Gel-Prozess Schwammartiges, viskoses Gel oder Aerogel
    

Neben der Zerteilung des Materials ist die Stabilisierung ein entscheidender Schritt. Zur Herstellung von nanoskaligen Stoffsystemen benötigt es theoretische Modelle und Theorien darüber, wie die Systeme aufgebaut sind. Dies eröffnet dann wiederum Möglichkeiten, wie man experimentell vorgehen muss, damit ein gewünschtes System entsteht. 
 
Copyright: T. Seilnacht
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