Nichts beflügelt die Fantasien der Computer-Forscher so sehr wie die exotischen Nanoröhrchen. Sie sind härter als Stahl, flexibel wie Kunststoff und leiten Strom besser als alle bisher bekannten Materialen. Nun stellt sich die Frage, ob das Wundermaterial der Zukunft auch allen Erwartungen gerecht werden kann.
In relativ kurzer Zeit haben sich Kohlenstoff-Nanoröhrchen - dünne Röhrchen aus Kohlenstoffatomen, die auf Grund ihrer einzigartigen Struktur ungewöhnliche Eigenschaften aufweisen - zu einem Wundermaterial entwickelt, das eine ganze Reihe von Branchen revolutionieren könnte.
Einwandige Nanoröhrchen dürften ihr Debüt noch in diesem Jahr in Polymeren haben: als Möglichkeit zur Verstärkung von Kunststoffteilen in Autos oder um normalerweise nicht leitfähigen Materialen Leitfähigkeit zu verleihen. Auch mit Farben, die Radarstrahlen ablenken können, wird in nicht allzu ferner Zukunft gerechnet. Computer- und TV-Hersteller planen ihren Einsatz zur drastischen Reduzierung der Herstellungskosten von Bildschirmen innerhalb von ca. zwei Jahren.
"Jedes größere Industrie-Unternehmen, das ein Interesse an hochentwickelten Materialen hat, von Kunststoff- bis zu Halbleiter-Herstellern, ist unser Kunde", so Tom Pitstick, Vice President of Business Development von Carbon Nanotechnologies Inc. (CNI), einem von Rick Smalley gegründeten Unternehmen in Houston, einem der Nobelpreisträger 1996 und Professor an der Rice University.
Innerhalb eines Jahrzehnts könnten Nanoröhrchen das Silizium für die Transistoren in Prozessoren und Speicherchips ersetzen. Diese Röhrchen könnten auch zur Übertragung von Licht über Glasfaserkabel dienen und, noch weiter in der Zukunft, Medikamente an bestimmte Körperzellen liefern oder sogar nationale Stromnetze restrukturieren.
Die Massenproduktion von Nanoröhrchen stellt allerdings noch immer eine Herausforderung dar. CNI plant bis 2005 den Ausbau seiner Herstellungskapazität bis zu dem Punkt, wo das Unternehmen 500 kg Nanoröhrchen pro Tag herstellen kann. Bislang reicht es nur für ein bis zwei Pfund pro Tag.
Der mühselige Produktionsprozess macht die Technologie zu teuer für einen breiten Einsatz. Der Verkaufspreis wird auf der Website des Unternehmens mit 500 US-Dollar pro Gramm angegeben.
Andere Forscher sind außerdem der Auffassung, dass es für Halbleiterhersteller einfacher sein könnte, Nanodrähte aus Silizium (feste, mikroskopisch kleine Siliziumstränge) in bisherige Herstellungsprozesse einzufügen.
"Silizium-Nanodrähte sind vielleicht nicht ganz perfekt, aber sie könnten einfacher in Chips zu integrieren sein", sagt K.J. Cho, Professor für Mechanical Engineering an der Stanford University.Ein Kohlenstoff-Nanoröhrchen besteht im Wesentlichen aus einer Schicht von Kohlenstoffatomen, die in Sechsecken angeordnet sind und sich so zu einer Röhre formen. Nanoröhrchen kommen in zwei grundlegenden Varianten vor: als einwandige Nanoröhrchen, die aus einer einzigen Windung von Kohlenstoff-Hexagonen bestehen, und als mehrwandige Version, bei der ein einzelnes Röhrchen von einem größeren umgeben ist, welches sich wiederum in anderen Röhrchen befindet.
Der Schwerpunkt der derzeitigen Forschung liegt auf einwandigen Nanoröhrchen.
Die Eigenschaften dieser Röhrchen sind aus zwei Gründen von Bedeutung: entscheidend ist ihre Größe, die es ihnen erlaubt, als eindimensionale Objekte zu fungieren, und die innere Struktur des Kohlenstoffs.
Von einem rein euklidschen Standpunkt aus betrachtet, existieren alle physischen Objekte auf diesem Planeten im dreidimensionalen Raum, der durch X- (horizontal), Y- (vertikal) und Z- (Höhe) Koordinaten beschrieben werden kann.
| » Durch einen ballistischen Leiter kann sich die Ladung vollkommen ungehindert bewegen. Die elektronischen Eigenschaften sind hervorragend. « JOERG APPENZELLER, IBM RESEARCH |
Da eindimensionale Nanoröhrchen weder über Höhe noch über Breite verfügen, können sich Elektronen ballistisch auf ihnen bewegen - das heißt, wenn es keine Hindernisse oder Materialunreinheiten gibt, findet keine Streuung statt und es gehen keine Elektronen verloren.
"Durch einen ballistischen Leiter kann sich die Ladung vollkommen ungehindert bewegen", sagt Joerg Appenzeller, der bei IBM Research an Nanoröhrchen aus Kohlenstoff forscht. "Die elektronischen Eigenschaften sind hervorragend."Durch diese beschränkte Dimensionalität können Nanoröhrchen auch Wärme besser leiten als jedes andere bisher entdeckte Material, einschließlich Diamant, und könnten sogar für die Energieübertragung innerhalb von Wohnhäusern oder zwischen Kraftwerken genutzt werden. Die Röhrchen können auch zur Übertragung von Licht eingesetzt werden und optische Fasern verbessern oder ersetzen.
Beim Bau von Computerchips könnten durch den Einsatz von Nanoröhrchen Transistoren entwickelt werden, die weitaus schneller schalten als die heutige Siliziumvariante.
Appenzeller sagt, dass ein Vergleich mit der Leistung siliziumbasierter Transistoren nicht möglich sei, da die Forscher bis heute nur die Arbeitsweise einzelner Nanoröhrchen erforscht haben. Die ersten Ergebnisse seien aber sehr viel versprechend, und es könne für die Transistoren wahrscheinlich dieselbe Grundstruktur genutzt werden.
"Im hypothetischen Idealfall ersetzt man einfach die Zuführung mit einem Nanoröhrchen. Die Quelle, die Senke, die Architektur bleibt dieselbe", sagt Appenzeller. Eindimensionale Objekte könnten auch aus anderen Materialien wie beispielsweise Bornitrid gebildet werden, aber Kohlenstoff wurde bislang am gründlichsten untersucht.
Während fast überall Einigkeit darüber herrscht, dass in den nächsten Jahren wahrscheinlich noch kein Kohlenstoff in Chips oder Leiterfasern zu finden sein wird, werden sich andere Produkte möglicherweise schon bald die elektrischen Eigenschaften der Nanoröhrchen zunutze machen.
Mehrere Unternehmen erwägen bereits für 2005 den Einsatz von Nanoröhrchen in Fernsehgeräten, LCD-Monitoren und Plasmabildschirmen. In herkömmlichen Fernsehgeräten schießen Elektronenkanonen Elektronen auf den mindestens 45 cm entfernten Bildschirm. LCD- und Plasmabildschirme benötigen keine Elektronenkanonen, aber die Kosten für den Herstellungsprozess, der für das Einsetzen der Schaltkreise in das Glas benötigt wird, sind sehr hoch.
Nanoröhrchen-Monitore wären dünner als Flüssigkristall-Anzeigen und viel billiger herzustellen. Die Röhrchen können in eine Paste gemischt und dann auf das Glas gedruckt werden. Spezielle Herstellungseinrichtungen wären nicht erforderlich.
"Es ist verblüffend einfach", sagt Pitstick. "Man taucht die Nanoröhrchen in Tinte und druckt sie auf."Die Bindung ist eine weitere Schlüsseleigenschaft, die zur Attraktivität der Nanoröhrchen beiträgt. Kohlenstoffatome gehen feste Verbindungen miteinander ein und haben eine Tendenz, stabile hexagonale Ringe zu bilden. Nanoröhrchen "heilen" sich selbst, indem sie sich verlagern, um fehlende Atome zu ersetzen.
"Silizium ist Defekten gegenüber sehr empfindlich", sagt David Tomanek, Physikprofessor an der Michigan State University. "Wir kamen zu dem Ergebnis, dass Nanoröhrchen aus Kohlenstoff relativ unempfindlich gegenüber Defekten sind."
Dies könnte das Ende einer großen Sorge bedeuten. Die Kosten für Anlagen zur Herstellung von Computerchips liegen heute bei drei Milliarden Dollar und werden bis 2007 wahrscheinlich auf sechs Milliarden Dollar steigen. Der Löwenanteil dieser Summen wird für die zum Zeichnen der Schaltkreise benötigten Geräte aufgewendet.
Röhrchen, die sich selbst anordnen und Defekte selbstständig beheben, machen viele dieser Maschinen überflüssig. Die meisten der dann noch benötigten Geräte "sind gängiges Zeug aus der chemischen Industrie", sagt Pitstick.
| » Wenn man den Katalysator gut unter Kontrolle hat, sollte man auch die Nanoröhrchen kontrollieren können. Über die Jahre haben wir herausgefunden, dass alles vom Katalysator abhängt. « HONGJIE DAI, ASSOCIATE PROFESSOR OF CHEMISTRY, STANFORD UNIVERSITY |
Auch lang können sie sein. Forscher haben defektfreie Nanoröhrchen von bis zu vier Mikrometer geschaffen, das entspricht viermal der Länge, die Funktionen auf einem herkömmlichen Siliziumchip durchschnittlich in Anspruch nehmen. Einige Nanoröhrchen, deren ballistische Eigenschaften dann allerdings nicht mehr ganz perfekt waren, brachten es auf bis zu 120 Mikrometer.
Hypothetisch erlaubte dies den Ingenieuren, die Drähte in Flugzeugen durch Nanoröhrchen zu ersetzen und so die Teile zu verstärken und gleichzeitig Gewicht zu sparen.
Kohlenstoff bietet sich auch für eine Nutzung der van der Waals-Kräfte an, die verschiedenartige Atome zu spontanen Verbindungen veranlassen. Bei Experimenten haben Forscher bemerkt, dass Nanoröhrchen sich an Siliziumstehlen anlagern, die aus einem Wafer herausragen. Jetzt kann man diese in eine nützliche Anordnung bringen. Nantero, ein Start-Up-Unternehmen, das seine Wurzeln an der Harvard Universität hat, beabsichtigt, die van der Waals-Kräfte für eine neue Art von Speicherchip nutzbar zu machen.
"Man erhält einen Wafer voller Röhrchen, die leidlich gut ausgerichtet sind", sagt Dai. "Sie lagern sich wirklich gern an der Stehle an und erfreuen sich dort an den van der Waals-Kontakten."Wenn auch der Nutzen unendlich zu sein scheint, so weisen die Forscher doch schnell darauf hin, dass diese Ergebnisse bisher nur in begrenztem Umfang erzielt wurden und es noch keine Massenfabrikation gibt.
Heute werden Nanoröhrchen auf zwei Arten erzeugt. Die erste, die so genannte Laser-Ablations-Methode, wurde von CNI entwickelt und beinhaltet das Beschießen von Graphit mit einem Laser. Bei der zweiten Methode wird ein Kohlenwasserstoffgas wie Methan oder Kohlendioxid über einen Katalysator aus geschmolzenem Metall gesprüht.
Eine Schwierigkeit bei beiden Verfahren ist die Entfernung von Unreinheiten. IBM und andere Unternehmen experimentieren mit neuen Herstellungsverfahren wie der Erzeugung von Silizium-Kohlenstoff-Kristallen, bei denen das Silizium später verdampft wird - eine wirkliche Antwort hat aber noch niemand.
Ein weiteres, schwerwiegendes Problem liegt in der Kontrolle der so genannten "Chiralität", einem Maß für die Anordnung der Hexagone auf der Oberfläche eines Röhrchens. Wenn die Kohlenstoffhexagone in parallelen, vertikalen Bahnen über die Oberfläche des Röhrchens verlaufen, verhalten sie sich wie Metall und können nicht in der Elektronik verwendet werden. Wenn die Röhrchen jedoch leicht gedreht sind (man kann sich dies wie die Papphülse in einer Papierrolle vorstellen), verhalten sie sich wie Halbleiter und können als Transistoren verwendet werden.Leider liegen die entsprechenden Zusammenhänge bei der Entstehung der Röhrchen noch weitgehend im Dunkeln.
"Man lässt die Welt der klassischen Physik hinter sich und betritt das Reich der Quantenmechanik", sagt Appenzeller. "Die Grapheneschicht ist genau gleich. Darum ist es so schwierig, die Chiralität vorherzusagen." Grapheneschichten bestehen aus Kohlenstoffhexagonen.
Smalley, Dai und andere Forscher hoffen diese beiden Parameter durch "selektive Katalysatoren" unter Kontrolle zu bekommen. "Wenn man den Katalysator gut unter Kontrolle hat, sollte man auch die Nanoröhrchen kontrollieren können", sagt Dai. "Über die Jahre haben wir herausgefunden, dass alles vom Katalysator abhängt."
| » Jedes größere Industrie-Unternehmen, das ein Interesse an hochentwickelten Materialen hat, von Kunststoff- bis zu Halbleiter-Herstellern, ist unser Kunde. « TOM PITSTICK, VICE PRESIDENT OF BUSINESS DEVELOPMENT, CARBON NANOTECHNOLOGIES |
Wissenschaftler hoffen, Nanoröhrchen auf Wafern wachsen lassen zu können. Forscher an der Duke University und in Stanford haben gezeigt, dass es technisch möglich ist, Röhrchen wachsen zu lassen und sie in Position zu bringen, es müssen aber noch viele Probleme gelöst werden.Letztendlich könnte die Kompatibilität mit Silizium den Ausschlag zugunsten von Nanodrähten aus Silizium geben.
Silizium-Nanodrähte werden hergestellt, indem man SiH4-Moleküle (ein einzelnes, von vier Wasserstoffatomen umgebenes Siliziumatom) durch ein Goldpartikel saugt, erklärt Andre DeHon, Professor am California Institute of Technology. Das Gold entfernt die Wasserstoff-Atome und erlaubt es den Siliziumatomen, sich zu einem Draht zu verbinden.
"Wir haben uns zum Ziel gesetzt, aus diesen Dingern Speicher in interessanten Größenordnungen zu bauen", sagte DeHon im August auf der Branchen-Konferenz Hot Chips. "Hier könnte in einer einstelligen Zahl von Jahren - drei bis fünf Jahren - ein Durchbruch erzielt werden, wenn sich jemand wirklich dafür einsetzen wollte."
So futuristisch diese Technik auch anmutet, so wurde sie ursprünglich bereits 1964 von Forschern der Bell Laboratories beschrieben.
Auch wenn Nanodrähte nicht dieselben elektrischen Eigenschaften aufweisen wie Nanoröhrchen, könnte es doch einfacher sein, Nanodrähte auf dem Wafer selbst wachsen zu lassen, fährt DeHon fort. Trotz allem findet die Entwicklung nicht über Nacht statt.
"Es wird noch Jahre dauern, bis sich etwas ändert", sagt Pat Gelsinger, Chief Technology Officer bei Intel, wo man gemeinsam mit Forschern von verschiedenen Universitäten beide Ansätze verfolgt. "Es ist zu früh, sich für einen der beiden Ansätze auszusprechen."
Trotz der Herausforderungen erhält der Optimismus der Forscher und der Unternehmen bezüglich der Nanoröhrchen Auftrieb durch die in recht schneller Folge eintreffenden positiven Experimentalergebnisse.
"Wir haben enorme Forschritte gemacht," sagt Appenzeller. "So weit läuft alles bestens."
Was macht Forscher so interessiert an Nanoröhrchen? Hier einige ihrer Eigenschaften und möglichen Anwendungen. 
Ballistischer Transport bedeutet, dass Elektronen in Nanoröhrchen wesentlich schneller reisen können als in Metallen und dass keine Streuverluste entstehen. Diese Leitereigenschaften könnten bei der Herstellung elektrischer Farbe, der Absorption statischer Spannung, dem Speichern von Energie oder der Ablösung von Siliziumschaltkreisen auf Computerchips nützlich sein. 
Als das Material, das besser als jeder andere bisher erforschte Stoff Wärme von einem Ort zum anderen transportieren kann, sind Nanoröhrchen potenziell nützlich für die Kühlung eingeschränkter Räume (beispielsweise PCs). 
Nanoröhrchen sind sechsmal leichter als Stahl, aber mehr als 500-mal stärker. Mit ihnen könnte man Kupferdrähte ersetzen oder superstarke Kunststoffe herstellen. 
Da sie Licht abstrahlen, könnte man Nanoröhrchen auch in optischen Fasern einsetzen. 
Nanoröhrchen können um 120 Grad gebogen werden und schnellen dann unbeschadet in die Ausgangsposition zurück. Dadurch reduziert sich die Wahrscheinlichkeit eines Ausfalls. 
Durch starke kovalente Verbindungen wird eine durch ein fehlendes Atom entstandene Lücke durch verbleibende Atome geschlossen. 
Anders als Silizium-Schaltkreise, die "gezeichnet" werden müssen, formieren sich Nanoröhrchen in Gegenwart eines Katalysators von selbst. 
Die chemisch fast vollständig inaktiven Nanoröhrchen verursachen keine Reaktionen in anderen Materialien. Diese Eigenschaft ist für die Atommikroskopie oder die Verabreichung von Medikamenten potenziell von Nutzen.