Das Schweizer Messer

Klick, klick, klick. Gebannt sitzt Don Eigler vor seinem Computer und lauscht den Geräuschen, die aus den Lautsprechern in der Decke kommen. Statt sanfter Musikberieselung, die einen beim Betreten des Labors empfängt, ist jetzt nur ein Ploppen zu vernehmen. Klick, klick – “jetzt sitzt das Atom an der richtigen Stelle”, sagt Eigler.

Daß man Atome sehen kann, ist seit der Erfindung des Rastertunnelmikroskops durch die Nobelpreisträger Gerd Binnig und Heinrich Rohrer bekannt. Aber hören? Don Eigler weiß, wie es geht: Wenn ein Atom mit dem Tunnelmikroskop über eine Metalloberfläche geschleift wird, erklimmt das Atom bei seinem Weg über die bizarre atomare Landschaft schwindelnde Höhen und fällt dahinter in die Täler des Kristallgitters. Dabei ändert sich der schwache Strom, der zwischen der Spitze des Tunnelmikroskops und der Oberfläche fließt und der das Atom an die Nadel klebt. Elektronisch verstärkt gibt das ein vernehmliches Klicken – es verrät Don Eigler, wann das Atom in eine Kuhle gefallen ist.

Im atomaren Billard ist Eigler, der am Almaden Forschungslabor von IBM in San José arbeitet, absolute Weltklasse. Er entwickelte den ersten atomaren Schalter, bei dem ein einzelnes Atom den Stromfluß zwischen Mikroskopspitze und Oberfläche bestimmt (bild der wissenschaft 10/1991, “Atom als Schalter”), oder den spektakulären Quantenkäfig, dessen Bild um die Welt ging (bild der wissenschaft 2/1994, “Ringelreihen unterm Mikroskop”). Berühmt wurde auch das Logo seines Arbeitgebers, das Eigler aus 35 Xenonatomen zusammenpuzzelte.

Mitte der achtziger Jahre war die Tunnelmikroskopie eine Wissenschaft für sich. Zwei Jahre dauerte es, bis andere Labors die Apparatur nachbauen konnten, die Binnig und Rohrer 1981 im IBM-Forschungslabor Zürich entwickelt hatten. Zunächst dazu gedacht, Halbleiteroberflächen mit atomarer Auflösung abzutasten, etablierte sich das Rastertunnelmikroskop als Instrument, Atome zu manipulieren. Doch das ist kompliziert genug: Nur wenige beherrschen die Kunst der atomaren Schiebung so wie Don Eigler.

Zum Standardwerkzeug für Nanomanipulatoren wurde das Rastermikroskop erst, als Gerd Binnig 1986 einen Zwillingsbruder des Tunnelmikroskops erfand: das Atomkraftmikroskop, auch Rasterkraftmikroskop genannt. Statt mittels eines schwachen Stromes Atome berührungslos abzutasten oder zu bewegen, sind es hier die Schwingungen eines feinen Federbalkens mit einer dünnen Nadel, die etwas über die Struktur der Probe verraten. Die Nadel schwebt knapp über der Oberfläche im Kraftfeld der Atome des Kristallgitters oder berührt sogar mit sanftem Druck die Oberfläche – wie bei einem Plattenspieler. Das Auf und Ab der atomaren Gebirge setzt ein Schwingungsaufnehmer in Bilder um. Vorteil: Da zwischen Nadel und Oberfläche kein Strom fließen muß, können auch nichtleitende Materialien untersucht werden, also auch Kunststoffe oder organische Moleküle, die sich in einer Flüssigkeit befinden.

Diese Eigenschaft macht das Kraftmikroskop für Untersuchungen an empfindlichen Molekülen interessant. Einen ganzen Werkzeugkasten zur Manipulation von Biomolekülen hat Prof. Wolfgang Heckl von der Ludwig-Maximilians-Universität in München entwickelt.

Der Physiker schneidet Stücke aus dem DNA-Molekül heraus, das die Erbinformation jeder Zelle trägt. Der DNA- Faden wird auf ein Substrat geklebt und mit der Spitze des Kraftmikroskops durchtrennt. Dabei ist ziemlich viel Druck nötig, denn die DNA ist erstaunlich zäh. Schwache anziehende Kräfte sorgen dafür, daß das abgetrennte DNA-Stück, das im Idealfall nur 50 Nanometer lang ist und nur wenige billionstel Gramm wiegt, an der Spitze hängen- bleibt.

Entscheidener Vorteil des Kraftmikroskops: Es kann gleichzeitig sowohl die Struktur der DNA sichtbar machen als auch schneiden – das macht die Arbeit viel präziser. Zur Orientierung auf dem DNA-Strang benutzt Heckls Team Goldatome, die vor dem Schnitt als Markierung an das Erbgut geheftet werden. Es ist geglückt, Gensequenzen zu entfernen, mit der Polymerase-Kettenreaktion (PCR) zu vervielfältigen und durch modifizierte DNA-Stücke zu ersetzen.

Zu Wolfgang Heckls Werkzeugkasten hat sich kürzlich der Nanomanipulator gesellt. Dahinter verbirgt sich ein Computerprogramm, in dem man wie bei einem Malprogramm auf dem PC Bilder entwerfen oder Texte schreiben kann. Der Unterschied: Die Figuren werden mittels einer Steuereinheit sofort vom Kraftmikroskop in ein Werkstück geritzt. So hat Heckl das kleinste Logo seiner Universität in eine Oberfläche geschrieben, die mit Molekülen eines blauen Farbstoffs überzogen war. Die Linienbreite in dem Bild betrug zwei Nanometer, was einer Molekülbreite entspricht. Insgesamt wurden 1000 Moleküle weggekratzt.

Buchstäblich unter die Haut geht ein Projekt der Firma Beiersdorf. Der Pharma- und Kosmetikhersteller möchte wissen, wie seine Cremes von der Haut aufgenommen werden. “Bisher war das Alchemie”, sagt Udo Schwarz vom Institut für Angewandte Physik der Universität Hamburg. Das soll sich ändern: Der Hamburger Physiker baut derzeit ein Kryokraftmikroskop, das die Elastizität und Rauhigkeit von Hautproben mißt. Um die Zellstruktur während der Messung nicht zu zerstören, werden die Hautproben schockgefroren. Der Clou: Selbst in dieser Kältestarre soll das Kraftmikroskop deutliche Unterschiede zwischen unbehandelter und gecremter Haut messen, für die sich die Dermatologen interessieren.

So nützlich das Kraftmikroskop schon heute ist – wenn es nach seinem Erfinder geht, steht es erst am Anfang einer Ära, in der mikromechanische Sensoren und Manipulatoren zunehmend Aufgaben übernehmen, die bisher hochintegrierter Elektronik vorbehalten waren. “Zurück in die Zukunft der Mechanik”, hat Gerd Binnig als Losung ausgegeben. Binnig schöpft seinen Optimismus aus der Tatsache, daß in der Nanometer-Werkstatt Reibung und Verschleiß viel geringer sind und mechanische Bewegungen viel rasanter vonstatten gehen als in unserer trägen makroskopischen Welt.

Was der Nobelpreisträger konkret meint, hat er mit seinem Team in Zürich zum Teil schon demonstriert. Millipede – Tausendfüßler – heißt ein Projekt, das den langsamen Rastersondentechniken Beine machen soll. Ganze Armeen von filigranen Tastärmchen – nur wenige zehn Mikrometer kurz – werden in einem aufwendigen Prozeß aus Silizium geätzt und mit Elektronik auf einem Chip kombiniert. Ein Datenspeicher mit 25 Abtastnadeln existiert bereits (bild der wissenschaft 2/1998, “Die ganze Symphonie auf einem Pfennig”).

Tausende dieser Fühler könnten eines Tages Mikrochips in Sekundenschnelle auf Fehler untersuchen – eine Technik, die bereits heute mit einzelnen Kraftmikroskopen angewandt wird, allerdings entsprechend langsam ist. Eine andere Anwendung sind sogenannte Gatter. Darunter versteht man logische Schaltelemente, die Ja-Nein-Aussagen nach den Gesetzen der Booleschen Algebra verarbeiten. Einfachstes Beispiel ist ein UND-Gatter: “Wenn an Eingang A und an Eingang B eine Spannung liegt, soll auch an Ausgang C eine Spannung erscheinen.” Solche primitiven Verknüpfungen wurden bisher elektronisch realisiert und gehören zu Zigtausenden zum Inventar jedes Mikroprozessors.

Die Züricher Forscher wollen dies jetzt mechanisch umsetzen. Sie koppeln die Zungen von drei Kraftmikroskopen so, daß die dritte Zunge schwingt, wenn die beiden anderen mit ihrer jeweiligen Resonanzfrequenz angeregt werden. Mit dieser Mikroharmonika lassen sich theoretisch beliebige logische Schaltungen bauen.

Die unterschiedlichen Resonanzfrequenzen von verschieden langen Zungen könnte der Schlüssel zu einer völlig neuen Synthese von Akustik, Mikromechanik und Elektronik sein. So wäre es vorstellbar, ein Mikrofon mit eingebauter Sprachverarbeitung zu bauen. In dem Tonaufnehmer würden Hunderte oder gar Tausende von winzigen Zungen sitzen, die jeweils auf eine bestimmte Frequenz getrimmt sind. Spräche man in das Mikrofon, würden je nach Tonhöhe und Frequenz unterschiedliche Zungenkombinationen angeregt. Logische Gatter könnten dann sofort die passenden Laute erkennen und an ein Spracherkennungsprogramm im Computer weitergeben.

Die komplizierte Analyse des Frequenzspektrums müßte dann nicht mehr im Computer stattfinden, sondern liefe rein mechanisch. Das Vorbild liefert – wie so oft – die Natur: Auch die Härchen, die im Ohr Schall in Nervenreize umsetzen, reagieren auf unterschiedliche Tonfrequenzen. Das künstliche Ohr ist zwar noch Zukunftsmusik, aber die Mikromechanik wird sich durchsetzen, beteuert Peter Vettiger, der bei IBM das Millipede-Team leitet.

Ein Handicap des Kraftmikroskops war bisher, daß man mit ihm nur gröbere Strukturen eines Materials sieht – einzelne Atome kann es nur mit Mühe sichtbar machen. Erst in letzter Zeit brachten die Forscher die Auflösung des Kraftmikroskops in die Nähe des Tunnelmikroskops.

Dan Rugar vom IBM-Forschungszentrum in San José ist selbst das nicht genug. Er will die Empfindlichkeit des Kraftmikroskops so weit steigern, daß es sogar die magnetischen Eigenschaften von einzelnen Atomkernen messen kann. Die Atomkerne verhalten sich wie kleine Stabmagneten, weil die Bausteine des Kerns wie Kreisel rotieren. Rugar möchte mit einem Magnetkraftmikroskop (siehe Kasten) die winzigen Änderungen des Magnetfeldes fühlen – bisher ohne Erfolg. Doch Rugar ist optimistisch: Durch Verdünnen des Federarms auf wenige Atomlagen und weiteres Schärfen der magnetischen Spitze hofft er, die Empfindlichkeit des Kraftmikroskops so weit zu steigern, daß sich eines Tages jedes Atom durch seinen magnetischen Fingerabdruck verrät.

Werkzeugkasten der Nanotechnik

Tunnelmikroskop und Kraftmikroskop sind die klassischen Vertreter der mechanischen Rastersondentechniken. Darüber hinaus gibt es inzwischen mindestens ein Dutzend Varianten. Vor allem das Kraftmikroskop entpuppt sich immer mehr als “Schweizer Messer” der Nanotechnik. Die Auswahl der Sensoren, die auf der Abtastzunge befestigt werden, scheint unerschöpflich. Hier die wichtigsten Varianten im Überblick:

Tunnelmikroskop (Beobachtung):

Eine ultradünne Nadel, die an ihrer Spitze nur wenige Atome dick ist, schwebt so dicht über einer metallischen Oberfläche, daß sich die Elektronenwolken überlappen. Legt man eine Spannung an, fließt zwischen Spitze und Oberfläche ein schwacher Strom, der von der Topographie abhängt. Mit einer präzisen elektromechanischen Steuerung wird die Spitze rasterförmig – ähnlich einem Fernsehbild – Punkt für Punkt und Zeile für Zeile bewegt, daher auch der Begriff Rastertunnelmikroskop. Die Auflösung beträgt horizontal 0,1 Nanometer, was einem Atomdurchmesser entspricht, und vertikal sogar nur 0,01 Nanometer.

Tunnelmikroskop (Manipulation):

Zwischen Spitze und Oberfläche wird von außen ein Strom zugeführt, der Atome aus ihrem Kristallverbund herausschlägt oder diese vor der Nadel herschubst, so als würde man einen Tischtennisball über die Platte pusten. Beide Varianten des Rastertunnelmikroskops benötigten früher tiefe Temperaturen und ein Hochvakuum. Heute gibt es auch Geräte, die bei Zimmertemperatur arbeiten.

Kraftmikroskop (Kontakt):

Eine feine Spitze gleitet mit sanftem Druck über die Oberfläche. Die Auf- und Abbewegungen im Rhythmus der kristallinen Topographie wird über einen biegsamen Arm in elektrische Schwingungen umgesetzt. Dazu dient ein Piezosensor an der Aufhängung des Arms oder ein optischer Sensor mit einer Laserdiode, deren Licht vom schwingenden Arm reflektiert wird. Die Kontaktvariante ist auch dazu geeignet, Härte, Reibungskräfte oder Elastizität des untersuchten Materials zu messen.

Kraftmikroskop (Nichtkontakt):

Die Spitze hält einen Abstand von 10 bis 100 Nanometer zur Oberfläche. Schwache Kräfte (Van-der-Waals-Kräfte) zwischen den Atomen und der Spitze bewegen die Nadel. Diese Variante eignet sich zur Untersuchung von weichen organischen Proben, die bei direktem Kontakt zerstört würden, oder die sich in einer Flüssigkeit befinden.

Magnetkraftmikroskop:

Die Spitze besteht aus einem magnetischen Material (zum Beispiel Eisen) und schwebt über einer Oberfläche, deren magnetisches Feld man Punkt für Punkt vermessen will. Durch die magnetischen Kräfte wird der Arm ausgelenkt.

Kapazitätskraftmikroskop:

Ein empfindlicher Sensor mißt die elektrische Kapazität zwischen Oberfläche und Abtastnadel. Kapazität und Auslenkung der Nadel werden simultan gemessen. Magnetkraftmikroskop und Kapazitätsmikroskop könnten in Zukunft zur Speicherung von Daten auf einem magnetischen oder kapazitiven Speichermedium genutzt werden.

Wärmekraftmikroskop:

Ein Thermosensor mißt das Temperaturprofil einer Probe.

Infos im Internet

Rastersondenmethoden http://www.physnet.uni-hamburg.de/home/vms/group_r/

Manipulation von DNA-Molekülen http://www.kri.physik.uni-muenchen.de/crystal/stm/index.html

Galerie der schönsten RTM-Bilder http://www.almaden.ibm.com/vis/stm/gallery.html

Bernd Müller