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Molekulare Nanotechnologie
Molekulare Nanotechnologie (kurz MNT, auch molekulare Fertigung) bezeichnet eine Technologie auf der Ebene von einzelnen Molekülen.
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Grundidee der molekularen Nanotechnologie
Molekulare Nanotechnologie, kurz MNT, auch molekulare Fertigung, bezeichnet eine Technologie auf der Ebene einzelner Moleküle. Der amerikanische Ingenieur Eric Drexler machte den Begriff der Nanotechnologie 1986 mit seinem Buch „Engines of Creation“ weithin bekannt. Er verstand Nanotechnologie viel weiter als Richard Feynman und Norio Taniguchi und auch weiter als das heutige allgemeine Verständnis von Nanotechnologie.
Drexler definierte Nanotechnologie als digitale, programmierbare Manipulation der Materie auf atomarer Ebene und die daraus entstehende Fertigung. Seine Grundidee ist, dass Atome wie Bausteine nach dem Legosteinprinzip neu zusammengesetzt werden können. Viele Unvollkommenheiten der heutigen Welt lägen demnach daran, dass Atome fehlerhaft zusammengesetzt seien; durch richtiges Platzieren der Atome könne man neue Stoffe, Gegenstände und Maschinen herstellen. Anfang der 1990er Jahre grenzte Drexler diese weitreichende Vision vom allgemeinen Begriff Nanotechnologie ab und nannte sie Molekulare Nanotechnologie.
Mechanosynthese und Assembler
Das Konzept der MNT beruht vor allem auf Mechanosynthese. Damit ist das gezielte Greifen und Platzieren atomarer und molekularer Bausteine gemeint. In Drexlers Vision arbeiten molekülgroße Roboter, sogenannte Assembler, in sehr kleinen Fabriken an Nanofließbändern. Sie sollen aus einzelnen Atomen und Molekülen mit hoher Geschwindigkeit unterschiedliche Produkte zusammensetzen können, zum Beispiel Autos, Nahrungsmittel, menschliche Organe, Häuser, Raumschiffe, Computer oder bakteriengroße „Soldaten“.
Ein Assembler soll aus etwa einer Million Atome und einigen zehntausend beweglichen Teilen bestehen. Jedes dieser Teile wäre wiederum aus einigen Atomen aufgebaut. Ein solcher Assembler wäre also eine sehr komplexe Maschine. Er würde nicht wie ein heutiger Industrieroboter Halbfabrikate verarbeiten, sondern Moleküle aus einem Lager vom Förderband greifen und montieren. Chemische Bindungen würden dabei als eine Art Klebstoff dienen. Wie die von Drexler gedachten Nanocomputer wären auch Assembler rein mechanische Konstrukte aus Hebeln, Motoren und Getrieben.
Nanofabriken und biologische Vorbilder
Drexlers Nanofabriken sollen alles herstellen oder verwandeln können, solange dies den physikalischen und chemischen Gesetzen nicht widerspricht. Da sich die Assembler selbst reproduzieren könnten und Material aus Abfall gewonnen werden könnte, wäre diese Herstellung in der Vision praktisch kostenlos.
Als Vorbild dient die Natur. Ein Baum benötigt Licht, Luft, Wasser und einige Mineralsalze. Durch Photosynthese gewinnt er Nahrung aus Sonnenlicht; mithilfe molekularer Maschinen verwandelt er Kohlenstoffdioxid in Sauerstoff und Kohlenwasserstoffverbindungen, bildet Wurzeln, Stamm, Äste und Blätter und trägt Früchte. Auch andere natürliche Systeme zeigen molekulare Maschinen: Bakterien besitzen Motoren, Pumpen und Antriebe, mit denen sie sich durchs Wasser bewegen können. Die Erbsubstanz, das Genom, wird im Artikel als nanogroßer Computer beschrieben, weil sie im Zellkern ein Programm enthält, das Eigenschaften wie Geschlecht, Größe oder Augenfarbe steuert.
Experimentelle Fortschritte
Einige Annahmen Drexlers wurden experimentell bestätigt, und es gibt erste Ergebnisse, die in Richtung molekularer Maschinen weisen. 1998 gelang es Wilson Ho von der Cornell-Universität, einzelne Eisenmonocarbonylmoleküle (FeCO) und Eisendicarbonylmoleküle (Fe(CO)₂) aus Eisenatomen (Fe) und Kohlenmonoxidmolekülen (CO) mit einem Rastertunnelmikroskop zusammenzubauen.
Anfang 2007 stellte ein Forschungsteam der Freien Universität Berlin zusammen mit dem CNRS in Toulouse die ersten beiden Nanoräder vor, die sich auf einer Oberfläche rollen lassen. Es handelte sich um Triptycenmoleküle, die Rädern mit drei Speichen ähneln und über eine Achse aus vier Kohlenstoffatomen verbunden sind. Die Rollbewegung wurde mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops, kurz STM, ausgelöst und gleichzeitig in Echtzeit ausgelesen. Dabei zeigte sich, dass die Korrugation, also die Unebenheit der Oberfläche auf atomarer Ebene, wichtig ist. Ist die Oberfläche zu flach, springen die Moleküle eher, statt zu rollen. Außerdem waren die Weglängen beim Rollen und Springen jeweils typisch für diese beiden Bewegungsarten.
Nach demselben Prinzip entwickelte die Forschungskooperation auch Nanozahnräder. Sie drehen sich, ebenfalls durch eine STM-Spitze angetrieben, entlang einer gezackten Kante aus Atomen.
Technische Schwierigkeiten
Die Experimente zeigen zugleich wichtige Schwierigkeiten für den Bau von Molekularmaschinen. Die herkömmliche Mechanik lässt sich auf diese Größenskala nicht einfach übertragen. Während man im Alltag oft von glatten Oberflächen ausgeht, wirken einzelne Oberflächenatome für Nanomaschinen wie Bodenwellen. Außerdem braucht jede Nanomaschine oder molekulare Maschine Energie von außen, um sich zu bewegen.
Die Natur löst dieses Energieproblem in Zellen chemisch. ATP-Moleküle liefern Energie in Form von Elektronen, die auf Motorproteine übertragen werden. Dadurch können biologische Prozesse ausgelöst werden, vom Transport einzelner chemischer Bausteine durch die Zelle bis zur Muskelkontraktion. Deshalb wird auch untersucht, welche Möglichkeiten DNA-Moleküle als Baumaterial bieten. DNA trägt die genetische Information; beim sogenannten DNA-Origami geht es darum, DNA-Strukturen gezielt als Bauelemente zu nutzen. Für Nanorobotik ist es entscheidend, steuerbare Elemente an bestimmten Stellen in ein Gitter einfügen zu können.
Ein weiteres Problem sind Van-der-Waals-Kräfte. Das sind schwache Anziehungskräfte zwischen Atomen und Molekülen, die auf sehr kleinen Abständen wichtig werden. Wenn Makromoleküle in Vakuum oder Luft mit weniger als einigen Atomdurchmessern Abstand aneinander vorbeibewegt würden, blieben sie durch diese Kräfte aneinander kleben. In Wasser oder einer anderen geeigneten Flüssigkeit übernimmt die Flüssigkeit die Van-der-Waals-Kräfte, sodass sich Makromoleküle reibungsarm aneinander vorbeibewegen können. So funktionieren lebende Zellen; der Geißel-Antrieb von Bakterien erreicht 50 Umdrehungen pro Sekunde.
Auch das mechanische Festhalten oder Loslassen einzelner Atome oder Moleküle wird durch Van-der-Waals-Kräfte erschwert. Dieses Problem heißt „Klebrige-Finger-Problem“. Laut Artikel wurde dieses Problem ebenso wie die rein mechanische Herstellung von Atombindungen durch das Anlegen einer elektrischen Spannung bewältigt.
Bewertung des Umsetzungsstands
Der Stand der Umsetzung ist gemischt: Es gibt experimentelle Fortschritte, aber Drexlers umfassende Vision ist noch nicht verwirklicht. Einzelne Moleküle konnten gezielt zusammengesetzt werden, Nanoräder und Nanozahnräder konnten bewegt werden, und biologische Vorbilder zeigen, dass molekulare Maschinen grundsätzlich möglich sind.
Viele Wissenschaftler bleiben jedoch skeptisch und halten Drexlers Vision für wirklichkeitsfremd. Verfechter der MNT entgegnen, dass Gegner bisher keine abschließend überzeugenden wissenschaftlichen Argumente gegen die Umsetzbarkeit der MNT vorgebracht hätten. Unbestritten ist laut Artikel, dass Drexler nichts behauptet, was den Gesetzen der Physik oder Chemie widerspricht; als Praxisbeweis wird auf die Natur verwiesen, die molekulare Maschinen bereits hervorbringt.