Spukhafte Ordnung

Wie unzählige Reihen von Löchern im Käse sehen sie aus, wenn man sie unter dem Elektronenmikroskop betrachtet. Kein „Käseloch” gleicht dem anderen, keines tanzt aus der Reihe. Unter dem Lichtmikroskop sind bloß einzelne Schuppen zu sehen – jede rund einen Zehntelmillimeter groß und allesamt ordentlich aufgereiht wie Dachziegel. Die „Käseloch”-Reihen sind bei dieser geringen Vergrößerung nur noch als Rillen zu erkennen. Mit dem bloßen Auge betrachtet, erscheint das eigentümliche Gebilde seltsam bekannt: ein Schmetterlingsflügel! Im Sonnenlicht schillert er in allen Farben, ohne ein einziges Farbpigment zu besitzen. Die Farbe ist von der Natur nur vorgegaukelt, durch Lichtreflexion an den feinen Strukturen.

Denn sobald Licht auf den Schmetterlingsflügel fällt, wird ein Teil davon an den oberen „Käselöchern” reflektiert, der Rest an den tiefer liegenden Löchern. Je nach Größe, Form und Anordnung der Vertiefungen – Experten sprechen von Photonischen Kristallen – reflektieren sie eine unterschiedliche Wellenlänge aus dem Spektrum des Lichts. Dadurch nimmt das Auge die verschiedenen Muster und Farben auf dem Schmetterlingsflügel wahr. Was die Photonischen Kristalle für die Industrie interessant macht: Sie entstehen durch „Selbstorganisation”. Die Moleküle des Flügels ordnen sich ganz von selbst zu den raffinierten Mustern.

Eiskristalle folgen dem selben Prinzip: Unter dem Mikroskop sieht man einzelne Ästchen, die in verschiedene Richtungen wachsen und filigrane Muster bilden. Keine zwei Schneekristalle sind exakt identisch.

Diese verblüffende Selbstorganisation der Natur hat die Forscher neugierig gemacht: Woher wissen die einzelnen Kristalle, wie sie auszusehen haben? Wie organisieren sie sich selbstständig zu einem hochgradig geordneten Kristall? Und wie lässt sich das Wissen darüber technisch nutzen?

„Die Selbstorganisation ist eines der Grundprinzipien für Strukturbildung und Wachstum in der Natur”, erklärt Andreas Hoffknecht, Technologieberater für den Verein Deutscher Ingenieure (VDI). Was hinter der mystisch anmutenden Ordnung steckt, sind physikalische und chemische Wechselwirkungen zwischen den beteiligten Teilchen. Denn Atome, Moleküle und sogar komplexere Gebilde wie Zellen befinden sich im ständigen Austausch miteinander: Sie ziehen sich durch physikalische Kräfte an, stoßen sich ab oder schließen sich zu chemischen Verbindungen zusammen. Diese Wechselwirkungen sind die unsichtbare Hand, die all die beeindruckenden Muster erschafft, die überall in der Natur zu finden sind.

„Aus relativ einfachen Bausteinen entstehen dabei quasi von selbst hochkomplexe und differenzierte Strukturen – und sogar Lebensformen”, begeistert sich Harald Fuchs, Professor für Physik an der Universität Münster. „Die Eigenschaften dieser Strukturen sind qualitativ neu und gehen meist weit über die Eigenschaften ihrer einzelnen Bausteine hinaus.”

Auch in der Technik könnte die Selbstorganisation in Zukunft eine wichtige Rolle spielen. Die Vorstellung, die Moleküle für sich arbeiten zu lassen, ist verlockend. „Von der Vision eines Mikroprozessors, der sich nach Zusammenschütten geeigneter Ingredienzien im Reagenzglas selbstständig bildet, ist man zwar noch meilenweit entfernt”, schmunzelt Axel Zweck, Leiter der Abteilung Zukünftige Technologien des VDI. „Dennoch ist die Nutzung einer kontrollierten Selbstorganisation in Teilschritten von Strukturierungs- und Herstellungsprozessen bereits greifbar nahe.” Die Anwendungspalette dieser spukhaften Ordnung ist riesig: Von der Optik über die Energie- und Kommunikationstechnik bis hin zu Elektronik und Medizin erhoffen sich die Experten eine Verbesserung der Fertigungstechnologien.

Bereits Realität ist, dass Forscher per Selbstorganisation Strukturen im Nanometerbereich herstellen – beispielsweise Nanodrähte. Die sollen künftig als magnetische Speicherchips in Computern dienen, denn jeder Nanodraht lässt sich unabhängig von den anderen magnetisieren und kann so ein Bit an Information speichern. Da die winzigen Drähte so nahe beieinander liegen, erhoffen sich die Forscher von diesen Chips eine höhere Speicherkapazität als bei herkömmlichen Datenspeichern. Um die Chips herzustellen, benötigt man – genau wie bei der Fertigung makroskopischer Metallschnüre – zunächst einmal eine Form, die die Umrisse des Drahts vorgibt. Im Nanomaßstab bastelt sich diese Form jedoch eigenhändig zusammen: mithilfe der Selbstorganisation von Polymeren – vergleichsweise großen Molekülen, die mit ihren aneinander hängenden, identischen Untereinheiten an eine Perlenkette erinnern.

„Die Polymerketten bestehen wiederum aus zwei zusammenhängenden Teilketten, die verschiedene Eigenschaften haben”, erklärt Thomas Thurn-Albrecht, Professor für Physik an der Universität Halle. „Da sich die Teilketten besonders wohl fühlen, wenn sie unter sich sind, ordnen sich die Polymere ohne äußeres Zutun so, dass sie möglichst wenig Kontakt miteinander haben.” So könnte etwa das eine Ende eines Moleküls Wasser lieben, das andere dagegen Wasser abweisen. Da die unterschiedlichen Molekülteile jedoch fest aneinander hängen, können sie sich nicht in zwei völlig getrennte Bereiche zurückziehen. Vielmehr ordnen sie sich so an, dass die wasserliebenden Teile ihre Köpfe zusammenstecken – und ähnlich wie Fußballspieler bei einer taktischen Absprache auf dem Spielfeld keinen gegnerischen Spieler dabei haben wollen. Die Wasser abweisenden Teile gruppieren sich um sie herum.

Durch diesen Prozess der Selbstorganisation entstehen ganz von selbst mikroskopisch kleine Zylinder der einen Art von Teilketten in einer Umgebung aus den anderen. Bestrahlen die Forscher die Polymerschicht mit UV-Licht, zerbrechen die Polymere – und ihre Bruchstücke in den Zylindern lassen sich wegspülen. Übrig bleibt eine geordnete Lochstruktur, in die sich Kobalt oder ein anderes magnetisches Material füllen lässt – und die gewünschten Nanodrähte sind entstanden. Obwohl sich die Lochstruktur selbstständig geformt hat, entspricht sie genau der Form, die die Forscher für die Nanodrähte brauchen.

Die sind nur etwa ein Tausendstel so dick wie ein menschliches Haar. Solche winzigen Strukturen lassen sich nicht nur aus einzelnen Einheiten zusammenbasteln (bottom-up), sondern auch aus einem größeren Stück Ausgangsmaterial herausarbeiten (top-down) – ähnlich wie bei einem Bildhauer, der eine Figur aus Holz oder einem Marmorblock herausmeißelt. Eines der bekanntesten Top-down-Verfahren ist die Photolithographie, bei der man einen lichtempfindlichen Photolack auf die zu bearbeitende Oberfläche aufträgt. Beleuchtet man den Lack durch eine Maske hindurch, die die gewünschte Struktur vergrößert enthält, so wird der Lack in den beleuchteten Bereichen zerstört – und das Lichtmuster überträgt sich auf ihn. Legt man die Oberfläche danach in eine Säure, zerfrisst diese nur die Bereiche, über denen sich kein schützender Lack mehr befindet – die Strukturen werden gezielt in die Oberfläche hinein geätzt.

Dieses Verfahren wird bislang etwa zur Herstellung von Computerchips genutzt, stößt aber durch die zunehmende Miniaturisierung der Chips an Grenzen. Auch hier hilft die Selbstorganisation weiter: „Man kann durch Selbstorganisation entstandene Polymer-Lochstrukturen als Masken benutzen, um Muster in ein Material zu ätzen”, verrät Thurn-Albrecht. Forscher des IT-Konzerns IBM bringen das poröse Polymer auf Siliziumoxid auf. Ein anschließender Ätzvorgang greift nur diejenigen Bereiche an, in denen das Polymer löchrig ist. So überträgt sich dessen Struktur auf das Siliziumoxid. Die entstehenden Poren füllen die Wissenschaftler mit Silizium – und erhalten Nanokristalle, die IBM künftig als Kondensatoren für Speicherchips einsetzen will.

Auf diese Weise können die Forscher bis zu ein Zehntel so kleine Strukturen herstellen wie mit der herkömmlichen Photolithographie. „Allerdings ist man dabei auf Strukturen beschränkt, die periodisch sind, sich also immer wiederholen”, betont Thurn-Albrecht. Denn bisher ist es nicht möglich, etwa Polymere mithilfe von Selbstorganisation nur stellenweise zu ordnen – entweder ordnen sich alle vorhandenen Polymere oder keines.

Karlheinz Bock, stellvertretender Leiter des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) in München, ist trotzdem optimistisch: „Wo es um eine günstige Massenproduktion von vielen Millionen Chips geht, ist die Selbstorganisation künftig unverzichtbar”, prophezeit er. Bock arbeitet unter anderem an der selbstorganisierten Herstellung von so genannten RFID-Chips, die per Funk beschrieben und ausgelesen werden können. Sie sollen künftig die herkömmlichen Strichcodes zum Beispiel bei der Kennzeichnung von Lebensmitteln, Textilien oder Transportcontainern, ablösen (bild der wissenschaft 6/2005, „Funkender Frischkäse”).

Das Problem: Die Platzierung der Mikrochips auf den RFID-Etiketten geht bislang zu langsam vonstatten und ist damit zu teuer für eine Massenproduktion preiswerter RFID-Label. Das Nadelöhr ist das Verfahren, mit dem die einzelnen Bauteile wie Sensoren, Chips und Funkantenne zusammengebracht werden. Bisher packt ein Greifarm den Chip und setzt ihn an die richtige Stelle, was etwa eine fünftel Sekunde an Zeit beansprucht. „Für eine billige Massenproduktion dauert das zu lange, und auch das dazu notwendige Equipment ist relativ teuer”, klagt Bock. Doch es sieht so aus, als könne die Selbstorganisation die Produktion deutlich beschleunigen und damit auch die Herstellungskosten senken. „Wenn man mehrere Chips parallel aufbringt, kann man sofort mit den nächsten Komponenten weitermachen, da sich die Chips selbst justieren”, erklärt der Fraunhofer-Wissenschaftler. Ein weiterer Vorteil der Selbstorganisation: Mit ihr platzieren sich selbst Bauteile präzise, die für einen Greifarm zu klein sind. Damit ist man auch für die Fertigung künftiger Chip-Generationen gerüstet, deren mikroelektronische Komponenten immer winziger werden – und bei denen die herkömmlichen Fertigungsverfahren an ihre Grenzen stoßen.

Die Chips justieren sich selbst. Wie soll das gehen? „Sie schwimmen in einer Flüssigkeit, die wir mit einem Druckerkopf oder einer speziellen Nadel bis auf wenige Mikrometer genau an die gewünschte Stelle bringen”, erklärt Bock den ersten der drei erforderlichen Montageschritte. Ein Muster auf dem Substrat, das aus wasseranziehenden und Wasser abstoßenden Bereichen besteht, lenkt das Tröpfchen mit dem Chip anschließend in die Mitte des wasseranziehenden Bereichs – und justiert ihn auf einen Mikrometer genau. Die Justierung ist also auf etwa ein Hundertstel des Durchmessers eines menschlichen Haars präzise. Doch damit nicht genug: Um den Chip exakt zu positionieren, hängen an seiner Unterseite unzählige Einzelstränge der Erbsubstanz DNA. Die passenden Gegenstücke, die nötig sind, um einen Einzelstrang zu einer DNA-Doppelhelix zu komplettieren, befinden sich auf dem Substrat – zum Beispiel auf einem größeren Trägerchip. Verbinden sich die Einzelstränge miteinander, sitzt der Chip perfekt auf dem Substrat.

„Da die DNA-Moleküle elektrischen Strom leiten, können wir so nicht nur den Chip an die gewünschte Stelle bringen, sondern haben auch gleich einen elektrischen Kontakt”, freut sich Bock. Da die DNA jedoch nur kleine Ströme unbeschadet übersteht, müssen die Forscher den Kontakt noch verstärken. Dazu hängen sie den DNA-Kontakt in ein galvanisches Bad und schicken einen schwachen elektrischen Strom hindurch. Der Stromfluss zieht Metall-Ionen an, die in dem Bad umher schwimmen – sie lagern sich an die DNA an und bauen eine winzige Metallröhre um das Erbmolekül herum auf.

Die Einzelschritte dieses Prozesses haben die Forscher weitgehend im Griff, nur deren korrektes Zusammenspiel bereitet noch Probleme. So muss der Chip sehr genau platziert sein, damit er die Anziehung der DNA-Gegenstücke spürt. „Die beste Flüssigkeit und die passendsten Muster sind noch nicht gefunden”, sagt Bock. „Es werden sicher noch etliche Jahre vergehen, bis das Verfahren für die Positionierung komplexer Mikrokomponenten im industriellen Maßstab einsatzreif ist.

In den USA setzt das Unternehmen Alien Technology bereits ein Verfahren zur RFID-Produktion ein, das auf Selbstorganisation beruht. Dazu werden die Sensoren, die eine festgelegte Form haben, in die entsprechenden Aussparungen eines Substrats hinein gespült – fast wie bei einem Puzzle.

Auch in der optischen Technologie setzt man auf die Vorteile der Selbstorganisation – etwa wenn es um die Herstellung von Lasern geht. Hier soll die Selbstorganisation helfen, möglichst viel Licht durch Einsatz von möglichst wenig elektrischer Energie zu erzeugen. Dafür gibt es zwei entscheidende Parameter: den so genannten Schwellenstrom, ab dem der Laser anfängt zu leuchten, und die Effizienz, das heißt die erzielte Lichtleistung pro eingesetzter elektrischer Leistungseinheit. „Mit Quantenpunkt-Lasern können sowohl der Schwellenstrom als auch die Effizienz stark verbessert werden”, sagt Alfred Forchel, Professor für Physik an der Universität Würzburg. Während in herkömmlichen Lasern eine dünne Schicht die Basis für die Erzeugung des Laserlichts bildet, ist es bei einem Quantenpunkt-Laser eine Scheibe mit unzähligen winzigen Pünktchen aus einem halbleitenden Material. Bis zu 100 Millionen Quantenpunkte drängen sich hier, ordentlich aufgereiht, auf einem einzigen Quadratzentimeter. „Wenn alle Punkte exakt gleich groß sind, tragen alle Elektronen zur Lasertätigkeit bei”, erklärt Forchel. „So lässt sich mit wenig Energie viel Licht erzeugen.” Mit herkömmlichen Materialien kann man das nicht realisieren – bei ihnen trägt immer nur ein Teil der Elektronen zur Erzeugung des Laserlichts bei.

Doch wie schafft man es, so viele extrem winzige Punkte gleicher Größe auf der Oberfläche anzuordnen? Zunächst versuchten es die Forscher per „Handarbeit”, indem sie die Punkte aus einem Werkstoff heraus zu ätzen versuchten – doch das schlug fehl. Vor 20 Jahren hatten der Wissenschaftler Leon Goldstein vom CNET Forschungslabor in Paris und seine Mitarbeiter schließlich die zündende Idee: Sie ließen das Material für sich arbeiten. Die Pariser Forscher verwendeten Gallium-Arsenid als Substrat und brachten Schicht für Schicht Indium-Arsenid auf. Die einzelnen Moleküle des Indium-Arsenids setzten sich auf die Moleküle des Gallium-Arsenids. In diesem Material liegen die einzelnen Moleküle jedoch viel dichter zusammen. Die Folge: Die Moleküle in den Indium-Arsenid-Schichten müssen enger zusammenrücken. Dadurch baut sich eine Spannung auf, die mit jeder weiteren aufgetragenen Schicht wächst. Das System löst dieses Problem, indem es die Indium-Arsenid-Schichten selbstständig aufbricht und zu kleinen Inseln zusammenzieht – den gewünschten Quantenpunkten. Was wie Zauberei anmutet, haben die Forscher jedoch gut im Griff. „Über das verwendete Material lässt sich sogar die Größe der Quantenpunkte einstellen – und damit die Wellenlänge des Lasers”, freut sich Forchel.

Die Dortmunder Firma NL Nanosemiconductor stellt die Quantenpunkt-Scheiben – die Basis für den Bau von Quantenpunkt-Lasern – bereits kommerziell her. Als Einzelstücke kann man auch komplette Quantenlaser kaufen, etwa für Spektrometer in der Forschung. Bis solche Laser jedoch in technischen Produkten wie DVD-Playern oder in der Telekommunikation eingesetzt werden, dürfte es noch etwas dauern. „Momentan sieht es so aus, als wäre eine breite Anwendung in etwa drei Jahren möglich”, sagt der Physiker Forchel.

Wie schätzen Experten die Aussichten für die Nutzung der Selbstorganisation allgemein ein? „Die Ausgangssituation ist vielversprechend”, meint VDI-Technologieberater Andreas Hoffknecht. „Etliche Anwendungen besitzen ein hohes wirtschaftliches Potenzial – vor allem im Bereich der Elektronik, beispielsweise wenn es um die Montage kleiner Bauelemente oder um die Verbesserung konventioneller Speicherchips geht.” Und Alfred Forchel ist überzeugt, dass „die Selbstorganisation ein Selbstläufer wird, denn sie ist vielseitig anwendbar und kostengünstig”. ■

Janine Drexler