Selbstständig spielendes Nano-Lego

Die Natur kann es wunderbar ohne äußere Hilfe – eigenständig komplexe Strukturen aufbauen wie Knochen, Opale oder den symmetrischen Kohlkopf Romanesco. Ähnliches schwebt Forschern für unterschiedliche Materialien vor: Einzelne Bausteine sollen programmierbar werden, so dass sie sich selbst­ständig zu vorgegebenen Strukturen zusammen­lagern. So könnten ohne Energieaufwand und ohne teuren Maschinen­park auch komplizierte Gebilde völlig von selbst entstehen. Die Deutsche Forschungs­gemeinschaft fördert dazu nun eine Emmy-Noether-Nachwuchs­gruppe an der Universität Duisburg-Essen (UDE) mit 1,3 Millionen Euro.

Das große Ziel von Junior­professor André Gröschel ist es, irgendwann einmal alle Arten von Nano-Bausteinen für die Selbstorganisation kombinieren zu können: polymere, biologische, metallische. Doch zunächst konzentriert sich der 35-Jährige auf Polymer-Nanopartikel, also kleinste Kunststoffteilchen. Mittelfristig sollen diese sich selbst­ständig zur regelmäßigen Struktur eines Diamant­gitters formen. Ziel ist es dabei, optische Halbleiter zu erhalten, die für genau eine Lichtwellenlänge nicht leitend sind. Für die optische Informations­verarbeitung und Licht­leitung könnten so neue Komponenten entwickelt werden, die vor allem für schnellere optische Computer interessant sind.

Mit Partikeln in der Größenordnung von Mikrometern klappt die Selbst­assemblierung grundsätzlich schon recht gut, Gröschel jedoch arbeitet mit Bausteinen zwischen zehn und 100 Nanometern Größe. Er erläutert die Heraus­forderung in diesem Nanolego: „Zunächst müssen wir neue Konzepte entwickeln, um auf wenigen Nanometern Fläche gezielt Wechsel­wirkungen nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip zu ermöglichen. Dabei müssen die Kräfte so eingestellt werden, dass sie in diesen winzigen Dimensionen nicht über das eigentliche Zielobjekt hinaus ungewollt auch alle Nachbarn beeinflussen.“

Um diese Abläufe zu verstehen und anschließend lenken zu können, will er den Aufbau der Strukturen mit hochauflösenden Mikroskopen künftig live beobachten. Die Technik dazu bringt er mit ins NanoEnergie­TechnikZentrum (NETZ), in das er mit seiner Arbeits­gruppe im Oktober einzieht.

Gröschels Arbeitsgruppe wird bis 2022 gefördert. Der Chemiker aus Pegnitz in Franken ist seit 2016 als Junior­professor an der UDE, zuvor forschte er drei Jahre lang an der Aalto-Universität in Helsinki (Finnland). Studiert und in Makro­molekularer Chemie promoviert hat er in Bayreuth.

UDE / DE