Nanofasern vor der Kamera
Wissenschaftlern ist es erstmals gelungen, die Herstellung von Nanofasern unter einem Elektronenmikroskop direkt zu beobachten
In der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsjournals Nature berichten Stig Helveg et al. von der Technologie-Firma Haldor Topsoe sowie Frank-Abild Pedersen und Jens K. Norskov von der Technischen Universität Dänemarks darüber, wie Nanofasern entstehen. Es ist ihnen gelungen, zum ersten Mal in Echtzeit Bilder von diesem Vorgang zu schießen. Ergänzend zu ihrem Artikel veröffentlichen sie online auf der Nature-Website auch zwei Videofilme.
Nanofasern und Nanoröhrchen aus Kohlenstoff sind grundlegende Bausteine der Nanotechnologie (vgl. Der exotische Beat der Nanoröhrchen). Deswegen wird weltweit versucht, sie so präzise wie möglich mit vorher fest gelegten Strukturen herzustellen. Bislang war das aber schwierig, was auch daran lag, dass der Vorgang ihrer Entstehung nicht genau beobachtet werden konnte und deswegen rätselhaft blieb. Die extrem feinen Gebilde können aber jetzt durch neue, hochauflösende Elektronenmikroskope betrachtet werden, während sie sich formen.
Die Gruppe um Stig Helveg verwendete ein Transmissionselektronenmikroskop (TEM, mit dem Proben in der Größe von 0,14 Nanometer untersucht werden können. Zum Vergleich: ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von 10 000 bis 100 000 Nanometern.
Eine Methode des "Spinnens" der Nanofasern ist mit Kohlenstoff angereicherten Methan-Dampf bei einer Temperatur von 500 Grad Celsius mit Nanopartikeln aus Nickel als Katalysator reagieren zu lassen. Die Nickel-Teilchen haben gerade mal einen Durchmesser von maximal 20 Nanometern, hundert davon würden in eine einzige menschliche Blutzelle passen.
Zur Verblüffung der Forscher zeigte das Elektronenmikroskop, dass sich diese Nickel-Nanokristalle während des Vorgangs immer wieder streckten und zusammenzogen, sie verformten sich, als wären sie aus Gummi, während sich die Kohlenstoffatome in Lagen um sie herum ablagerten und zu Fasern formten. Wenn die Nickel-Nanopartikel komplett von Kohlenstoff umgeben waren, hörte das Wachstum von selbst auf, weil die Oberfläche des Katalysators nicht mehr mit dem Dampf interagieren konnte. Am besten als Katalysatorteilchen eignen sich kleine Nanokristalle, weil sie dehnbarer als größere sind. Je nachdem bilden sich verschiedene Fasern, die dann auch verschiedene Eigenschaften besitzen.
Pulickel Ajayan vom Rensselaer Polytechnic Institute kommentiert in seinem begleitenden News&Views-Artikel: "...Der Mechanismus, den Helveg und Kollegen vorschlagen, mag nur in spezifischen Fällen relevant sein... Aber diese Studie hat einige experimentelle Haupthindernisse überwunden und die ersten direkten Einblicke in das Wachstum von Nanofasern ermöglicht - das sollte zu einer besseren Kontrolle der Faser-Synthese in der Nanotechnologie führen."
Einsatzgebiete der winzigen Fädchen sollen die Sensorik, die Optik, die Elektronik oder der Textilbereich, aber auch Werkstoffe für Autos oder Flugzeuge sein. Denkbar sind zudem Materialien wie feinste Klettverschlüsse: Kontakthärchen, die es, zukünftig als Schuhsohlen verarbeitet, vielleicht sogar Menschen ermöglichen werden, wie Geckos die Wände hoch zu laufen (vgl. Nanosohlen halten Schwergewichte an der Decke).
Außerdem spielen Nanofasern heute bereits eine Rolle in der Medizin. Mit ihrer Hilfe soll es künftig auch möglich sein, Knochenbrüche zu "kleben" bzw. Knochen wieder aufzubauen. Besonders gut verträgliche Wundverbände sind ein weiterer Anwendungsbereich oder Nervenzellen, die mithilfe von Nanofasern wieder wachsen.
Gezielt gewünschte Formen und Strukturen von Nanofasern herzustellen, ist für die Industrie kommerziell höchst interessant. Bei dem aktuellen Forschungsergebnis handelt sich um das Resultat einer Kooperation zwischen einer Universität und einer Firma. Die Autoren geben am Ende ihres Papers auch entsprechend an, finanzielle Interessen seien vorhanden.
International ist der zu erwartende Markt für Nanotechnologie sehr lukrativ. Spekulanten investieren bereits kräftig in die viel versprechende Branche. Die Förderung durch die öffentliche Hand ist massiv, international insgesamt 2,5 Milliarden Euro, davon in den USA 700 Millionen und in Japan 720 Millionen.
Auch die deutsche Regierung hält die Nanotechnologie für eine der wichtigsten Zukunftstechnologien und fördert sie kräftig mit rund 250 Millionen Euro in diesem Jahr. 2004 ist das Jahr der Technik in der Bundesrepublik und das Bundesministerium für Bildung und Forschung schickt seinen NanoTruck auf die Reise durch Deutschland, damit jedermann die Technologie der Zwergenwelt selbst erleben kann: "Der NanoTruck wird Ihnen in einer mobilen Erlebniswelt die komplexe und faszinierende Welt der Nanotechnologie präsentieren."