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Neue Horizonte.
Text und Fotos: Christine Möller
In der Welt der winzigen Strukturen verschmelzen Disziplinen wie Physik, Chemie, Biologie, Medizin und Materialwissenschaften. Fünf Beispiele, wo Forschende in der Nanowelt an Grenzen stossen und diese verschieben.
1. Jenseits des Vorstellbaren.
In der Welt der einzelnen Atome, Moleküle und winzigen Strukturen in einer Grössenordnung von 1 bis 100 Nanometern stösst die klassische Physik an ihre Grenzen. Auf atomarer Ebene sind es die Gesetze der Quantenphysik, die verschiedene Phänomene der Nanowelt beschreiben und uns an den Rand des Vorstellbaren bringen.
Im Gegensatz zur klassischen Physik liefert die Quantentheorie statt eindeutiger Ergebnisse oft nur Wahrscheinlichkeiten. Zudem gibt es Phänomene wie Überlagerung, bei der sich ein Teilchen vor der Messung scheinbar gleichzeitig in mehreren klassischen Zuständen befinden kann, oder Verschränkung, bei der Messresultate an zwei Teilchen voneinander abhängen können. Einstein sprach von «spukhafter Fernwirkung».
2. Fokus auf Oberflächen.
In den Nanowissenschaften spielen Oberflächeneigenschaften eine wichtige Rolle, da winzige Strukturen im Verhältnis zu ihrem Volumen grosse Oberflächen besitzen. Das fördert chemische Reaktionen, die vor allem an Oberflächen ablaufen. Forschende der Universität Basel untersuchen in diesem Kontext beispielsweise neue Verbindungen, die sich als Katalysatoren eignen.
An den Grenzflächen zwischen verschiedenen Materialien oder Phasen (fest, flüssig oder gasförmig) zeigen manche Nanomaterialien zudem ganz neue und besondere Eigenschaften. Forschende aus Basel untersuchen unter anderem Materialien, die sich im Inneren wie Isolatoren verhalten, an der Oberfläche Strom aber verlustfrei leiten.
3. Grenzen des Sichtbaren.
Einzelne Atome und Moleküle von der Grösse weniger Nanometer lassen sich nicht wie grössere Objekte mit einem Lichtmikroskop abbilden. Sie wurden erst mit der Entwicklung der Elektronen- und Rastersondenmikroskopie «sichtbar». Unterschiedliche Arten dieser Hightech-Mikroskope kommen an der Universität Basel zum Einsatz. Mikroskopie-Spezialistinnen und -Spezialisten entwickeln sie hier stetig für spezifische Anwendungen weiter, um die Grenzen des Sichtbaren zu verschieben.
Anhand elektronenmikroskopischer Aufnahmen lässt sich etwa die dreidimensionale Struktur einzelner Proteine herausfinden – eine wichtige Grundlage beispielsweise für die Wirkstoffentwicklung. Rastersondenmikroskope können einzelne Atome abbilden oder sogar filmen, wie natürliche Nanomaschinen in Zellen arbeiten.
4. Am Limit des Messbaren.
Nanowissenschaftlerinnen und -wissenschaftler stossen auch an die Grenzen des Machbaren, wenn sie in den von ihnen untersuchten Nanostrukturen Messungen vornehmen. Die zwischen einzelnen Molekülen wirkenden Kräfte lassen sich nicht mit Methoden aus der Makrowelt erfassen. Auch magnetische oder elektrische Felder sowie die extrem kleinen elektrischen Ströme in Nanostrukturen erfordern neue, empfindlichere Sensoren. Oft kommen bei derartigen Untersuchungen Rastersondenmikroskope zum Einsatz, da diese nicht nur abbilden, sondern auch verschiedene chemische und physikalische Parameter erfassen können.
Forschende der Universität Basel haben zum Beispiel die schwächsten Bindungskräfte zwischen einzelnen Atomen analysiert, die es in der Natur gibt. Diese Van-der-Waals-Kräfte spielen in der Natur eine wichtige Rolle und helfen beispielsweise dem Gecko, an der Decke zu «kleben».
5. Analyse mit fast nichts.
In manchen Fällen stossen Forschende an die Grenze der Verfügbarkeit dessen, was sie erforschen möchten. Daher entwickeln Nanowissenschaftlerinnen und -wissenschaftler Methoden, die mit winzigen Probenmengen auskommen. Ein Beispiel sind Miniaturlabore: Systeme aus winzigen Kanälen von wenigen Mikro- oder Nanometern Durchmesser auf einem Chip. Darin werden die geringen Probenmengen verarbeitet und analysiert. Vor allem in der Diagnostik bedeuten solche «Lab on a Chip»-Systeme eine vielversprechende Neuerung, um kleinste Proben in kurzer Zeit zuverlässig zu analysieren.
Weiterführende Informationen
Weitere Artikel in dieser Ausgabe von UNI NOVA (November 2023).