IBM und Caltech tüfteln an Schaltern aus Nanotubes und DNA - Elektronenmikroskop verbessert Nano-Bildgebung
Programmierte DNA erzeugt Chipstrukturen
Forscher des IBM Almaden Research Center und vom Caltech arbeiten am Konzept hybrider Chips aus DNA-Strängen und Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Der exotische Ansatz kann zum Tragen kommen, wenn die Chipstrukturen unter 22 Nanometer sinken und physikalische Grenzen das Moorsche Gesetz aushebeln.
Bei dem Ansatz von IBM und Paul Rothemund vom California Institute of Technology werden in
Silizium-Wafer in regelmäßigen Abständen lithografisch spezifische Stellen eingeätzt, an denen sich
bestimmte synthetische Virus-DNA-Stränge andocken und so Strukturen von sechs Nanometern
produzieren. Rothemund: "Eine Nanomaschine heftet die DNA-Stränge zusammen."
"Ein Computerprogramm designt einen Satz von 250 kurzen DNA-Sequenzen mit je 32 Buchstaben",
erklärt Rothmund. "Und diese verbinden dann längere DNA-Stränge zu Formen aller Art wie Dreiecke,
Smilies, Kreise oder Sterne mit Durchmesser von 100 Nanometern." DNA-Origami nennt der Forscher die
zielgerichtete Proteinfaltung der sich selbstorganisierenden Moleküle. "An diese Strukturen lassen
sich nun Nanodrähte, Nanotubes oder Gold-Nanopartikel anheften."
Rothemund arbeitet auch mit am Molecular Programming Project von Caltech und der University of
Washington, das von der national Science Foundation mit zehn Millionen Dollar finanziert wird. Ziel
ist die biomolekulare Programmierung, die eingesetzt werden soll von chemischen Schaltkreisen für
Interaktion mit Biomolekülen bis zu molekularen Robotern und dem nanoskaligen Computing.
Noch lassen sich die von IBM favorisierten Nano-Tubes in Massen in adäquater Qualität
produzieren – die herstellbare Menge pro tag liegt noch bei einem Gramm und die Kosten höher als
die von Diamant. Carbon-Nanotubes zeichnen sich durch hohe Festigkeit,, sehr gute Thermische und
elektrische Leitfähigkeit aus und besitzen interessante optische Eigenschaften. In Deutschland
forscht das Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik in Dresden an einem Weg, die
einwandigen Nanotubes in Massen herzustellen.
Und die Arbeit lohnt sich, angesichts der heutigen Chipproduktionskosten: IBM musste in die
Chipfabrik in East Fishkill 1,5 Milliarden Dollar investieren, um Chips im 32- und
22-Nanometer-Prozess herzustellen, wie sie die Server-CPUs Power8 und Power9 erfordern werden. Und
Intel wird seine US-Fabs für sieben Milliarden Dollar aufrüsten.
Für die Bildgebung hat das IBM-Caltech–Team Rasterkraft-Mikroskop eingesetzt, das vom
Nobelpreisträger Professor Gerd Binnig noch in IBM-Diensten entwickelt worden ist. Um den
nanokosmos sicher zu beherrschen, optimiert Big Blue seine bildgebenden Verfahren weiter. Forscher
des IBM T.J. Watson Research Centers sowie der niederländischen Unis Leiden und Twente haben eben
die Auflösung von so genannten Niederenergie-Elektronenmikroskopen (LEEM) verbessert – dank des
Einsatzes eines neuartigen Hightech-CMOS-Detektors um das 2,5-fache.
Damit lassen sich nun Materialien auf der Mikro- und Nanometerskala effizienter und exakter
untersuchen. Das Wachstum sehr dünner Schichten, wie etwa Grafen, kann zum Beispiel mitlaufend
beobachtet und so gezielt erforscht und kontrolliert werden.
"Das LEEM, ein relativer Neuling in der Mikroskopie, gewinnt in der industriellen und
universitären Forschung mehr und mehr an Bedeutung", so Ruud Tromp vom IBM T.J.Watson Research
Center und Professor an der Universität Leiden. "In einem herkömmlichen Elektronenmikroskop werden
die Elektronen auf sehr hohe Energielevel beschleunigt, um die Probe zu bestrahlen – das besondere
am LEEM ist, dass es Elektronen mit geringer Energie nutzt." Und diese langsamen Elektronen seien
sehr empfindlich gegenüber feinsten Strukturveränderungen von Oberflächen. Die abgelenkten
Elektronen werden von magnetischen Elektronenlinsen detektiert und ergeben so ein Abbild der
Oberfläche und dessen elektronischer Eigenschaften. Mit dem Detektor, der ursprünglich für den
Nachweis von Röntgenstrahlen erfunden wurde, konnten die Forscher die Leistungsfähigkeit des LEEMs
nun signifikant steigern.
Rochus Rademacher/CZ
Lesen Sie mehr zum Thema
