Neue Werkstoffe und Materialien

Materialforschung ist die Grundlage unseres Lebens. Ohne sie ist Fortschritt nicht möglich. Das Bundesforschungsministerium fördert sie darum intensiv.

Neues aus der Materialforschung: Impfen ohne Nadel. © BMBF/Hans-Joachim Rickel

Der berühmte Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman hat einmal auf die Frage, wie er die bisherigen wissenschaftlichen Erkenntnisse in einem einzigen Satz zusammenfassen würde, geantwortet: „Die Welt besteht aus Atomen.“ Auch wenn man über diese Antwort natürlich gut und lange diskutieren kann, so bildet der Satz sicherlich das Fundament für die Gebiete der Nanotechnologie und der Materialwissenschaft.

Steinzeit, Bronzezeit, Eisenzeit

Materialien sind seit den Ursprüngen der Menschheitsgeschichte eine wesentliche Triebfeder für den technologischen Fortschritt. Nicht umsonst sind Entwicklungsepochen der Menschheit als Steinzeit, Bronzezeit und Eisenzeit benannt worden, also nach den modernsten zu jenen Zeiten jeweils zur Verfügung stehenden Materialien

Mit Steinwerkzeugen konnte der Mensch die Möglichkeiten seines Körpers bei der Beeinflussung seiner Umgebung deutlich erhöhen. Aus Stein konnten die ersten einfachen Klingen hergestellt werden. Später erlaubte die Metallbearbeitung die Herstellung komplex geformter Werkzeuge und Bauteile, die schließlich durch die Erfindung der Dampfmaschine die industrielle Revolution einleitete.

Materialwissenschaft ist eine Schlüsseltechnologie

An der überragenden Relevanz von Materialien für die Gesellschaft hat sich seither nichts geändert. Über zwei Drittel aller technischen Neuerungen gehen direkt oder indirekt auf neue Materialien zurück. Das gilt für fast alle Wirtschaftszweige und Bedarfsfelder. Die Materialwissenschaft ist damit genauso eine Schlüssel- wie eine Querschnittstechnologie.

Längst ist sie aus dem Bereich der Empirie, in dem sie noch Anfang des vorigen Jahrhunderts steckte, herausgetreten. Dies gelang erst durch das tiefere Verständnis um den atomaren Aufbau der Materie. Heute helfen gut funktionierende Modelle den Wissenschaftlern dabei, präzise auf die Anwendung zugeschnittene Materialien zu erforschen, die – ähnlich wie damals zum Anbruch der Steinzeit – dazu führen, dass der Mensch die Möglichkeiten seines Handelns deutlich zu erweitern vermag.

Dadurch werden neue elektronische Bauelemente genauso möglich wie neue Therapieansätze in der Medizin. Dadurch können Automobile leichter gebaut und kraftstoffsparender genutzt werden. Mit ihrer Hilfe kann Energie effizienter verteilt und gespeichert werden. Durch neue Materialien werden Häuser behaglicher, langlebiger und belasten die Umwelt weniger. Das Spektrum der Anwendungen neuer Materialien ist nur durch die menschliche Phantasie begrenzt.

Kleiner als hundert Nanometer

Die Nanotechnologie ist ein weiterer Technologiezweig, der ohne die eingangs genannte Aussage über den Aufbau der Materie undenkbar wäre. Auch hier kann Richard Feynman bemüht werden, dessen berühmter Vortrag mit dem Titel „There's Plenty of Room at the Bottom" („Da unten - im Bereich des Allerkleinsten - liegen viele Möglichkeiten“) aus dem Jahre 1959 oft als Startpunkt der Nanotechnologie gesehen wird. Feynman bezog sich damit auf die zu seiner Zeit noch utopische Möglichkeit, Materie Atom für Atom zielgerichtet aufzubauen und dadurch neue Funktionalitäten zu erschließen.

Üblicherweise spricht man von Nanotechnologie, wenn eine der relevanten Abmessungen kleiner als 100 Nanometer ist (Abkürzung: nm, 1nm = 10-9m). 1 nm ist so klein, dass man sich nur anhand von Vergleichen eine ungefähre Vorstellung von den Dimensionen machen kann: 1 Nanometer verhält sich zu einem Meter wie der Durchmesser einer 1 Eurocent-Münze zum Durchmesser der Erde.

Heutzutage können wir Materialien auf kleinsten Größenskalen, bis hin zum einzelnen Atom, verändern. Das sind sicherlich faszinierende Möglichkeiten. Doch was ist der Nutzen dahinter? Zum einen kann man bekannte Funktionalitäten in Bereiche transportieren, in denen sie bisher nicht anwendbar waren. Ein gutes Beispiel ist hier eine innovative, für manche Tumorarten schon zugelassene Krebstherapie, bei der Nanopartikel aus Eisenoxid zum Einsatz kommen.

Dass sich Metalle in elektromagnetischen Wechselfeldern erwärmen können, ist altbekannt und wird zum Beispiel beim Induktionsherd genutzt. Macht man die erhitzbaren Partikel jetzt klein genug und funktionalisiert sie auf eine Art, die sie spezifisch an Krebszellen koppeln lässt, kann man Hitze direkt in die Tumore bringen – und sie so zerstören, ohne die gesunden Zellen zu gefährden. Dabei ist die Funktionalisierung noch Gegenstand der Forschung. Derzeit müssen die Nanopartikel noch gezielt ins Tumorgewebe eingebracht werden. (Zum Teil schließt diese Therapie übrigens auch Ergebnisse der Förderung durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung im Bereich der Nanotechnologie ein.)

Ein anderer wichtiger Aspekt der Nanotechnologie ist der, dass die Dinge, wenn sie kleiner werden, oft einen Teil ihrer Eigenschaften ganz gravierend verändern. Ein gutes Beispiel ist hier das Gold. Macht man in Lösung gebrachte Goldpartikel immer kleiner, ändert sich, obwohl der Stoff chemisch völlig unverändert bleibt, die Farbe deutlich von gelb zu einem kräftigen rot. Das funktioniert auch mit anderen Materialien, und neben der Größe ist auch die Partikelform relevant. Offenbar treten hier also neue Effekte in den Vordergrund, die im makroskopischen Bereich keine Rolle spielen. Daher verblüffen nanotechnologische Strukturen immer wieder mit überraschenden Eigenschaften. Die Aufgabe der Nanotechnologie ist es, sie für die Menschen technisch nutzbar zu machen. Die Möglichkeiten dafür sind immens.