Der Bottom-Up Ansatz
Nano nach dem Lego-PrinzipDer sogenannte „Bottom-Up“ Ansatz umfasst alle Methoden, bei denen aus vielen kleinen Teilstücken ein deutlich größeres Objekt zusammen gesetzt wird. In Bezug auf die Nanotechnologie bedeutet das, dass einzelne Moleküle (gegebenenfalls auch größere Strukturen wie etwa Kohlenstoff-Nanoröhrchen) oder gar einzelne Atome gezielt so angeordnet werden, sodass ein Objekt mit den gewünschten Eigenschaften entsteht.
Die älteste Methode, Materialien auf nanoskaliger Ebene zu manipulieren, ist die Chemie. So lassen sich mit Hilfe von Säuren, Katalysatoren, thermischer Energie und je nach Anwendung verschiedener Zusätze Oberflächen gezielt bearbeiten. Eine Möglichkeit ist beispielsweise das kontrollierte Ätzen, das unter anderem funktionelle Nanostrukturen erzeugen kann. Mit einer Kombination aus thermischer Energie und diversen Katalysatoren lassen sich auf Oberflächen auch wiederkehrende, regelmäßige Nanostrukturen erzeugen, die beispielsweise dann als Biozide wirken könnten.
Die wohl eindrucksvollste Methode ist das „manuelle“ Verschieben und Platzieren einzelner Atome auf einer Oberfläche. Hierbei wird die Spitze eines Rastertunnelmikroskops oder auch Rasterkraftmikroskops dazu verwendet, erst ein Bild der Oberfläche zu erstellen, diese dann wieder mit der selben Spitze zu manipulieren und hinterher in einem weiteren Bild das Ergebnis darzustellen. Die Spitze kann also sowohl in einem analysierenden als auch in einem manipulierenden Modus verwendet werden.
Während bei der Analyse immer ein gewisser Abstand zur Probe eingehalten wird, bringt man die Spitze bei der Manipulierung so nah an die Atome der Oberfläche heran, dass man sie mit der Sonde berührt und somit verschiebt oder gegebenenfalls „aufnimmt“ und an einer anderen Position wieder „absetzt“ . Auch ist es möglich, die Spitze in das Material zu drücken oder einen kurzen Stromimpuls durch die Sonden zu schicken (RTM), so dass dort ein Abdruck entsteht. Auf diese Weise lassen sich, indem man verschieden starke Spannungen anlegt, einzelne Atome oder Moleküle aufnehmen oder auch wieder abstoßen . Dieses Verfahren wäre zwar viel zu langwierig, um ernsthaft etwas herzustellen, aber eindrucksvolle Ergebnisse lassen sich so relativ schnell erzielen.
Die dritte „Bottom-Up“ Methode ist sogenannte Selbstorganisation. Zwar ist sie in einigen Fällen von der chemischen Wirkung eines Katalysators abhängig, aber prinzipiell ist die Selbstorganisation eine „freiwillig“ (also autonom) ablaufende Anordnung von Molekülen und Atomen, die symmetrische Strukturen zur Folge hat. So kann man beispielsweise auf einem nanoskopischen Metallpartikel durch Hinzufügen von Kohlenwasserstoff-Verbindungen von alleine Kohlenstoff-Nanoröhrchen wachsen lassen. Während das überflüssige H2 wieder frei wird, ordnen sich die C-Atome auf dem Metallpartikel an und verbinden sich schließlich zu den Röhrchen . Obwohl keine Katalysatoren einwirken, entstehen so Kohlenstoff-Nanoröhrchen von vielen µm Länge bei einem Durchmesser von nur etwa 10-20nm.
Besonders eine Kombination von der chemisch/katalysatorischen Variante und der kontrollierten Ausnutzung natürlicher und künstlich eingeleiteter Selbstorganisation wird in Zukunft bei der industriellen Massenproduktion hochkomplexer Nanopartikel und modifizierter Oberflächen eine große Rolle spielen, da die Verfahren leicht realisierbar und effizient sind.
