Bei Materialentwicklung dient die Natur als Lehrmeister

Wissenschaft und Technik 1999:

Derzeit verdoppelt sich das naturwissenschaftliche und technische Wissen der Menschheit etwa alle 3,7 Jahre. Da eine Übersicht auch nur über die wichtigsten Neuheiten hier nicht möglich ist, werden nur Schwerpunktgebiete vorgestellt, die im Kalenderjahr eine besonders stürmische Entwicklung durchmachten.

Diejenigen Genforscher, die sich das Ziel gesetzt haben, das gesamte menschliche Erbgut zu entschlüsseln, melden im November einen bescheidenen Teilerfolg. Britischen Wissenschaftlern von der Universität Cambridge ist es gelungen, die Reihenfolge der vier Bausteine im Erbmolekül DNS bei einem der insgesamt 24 menschlichen Chromosomen herauszufinden. Das Chromosom 22, dessen Bauplan nun entschlüsselt ist, ist allerdings winzig und macht nicht einmal ein halbes Prozent aller Erbanlagen aus.

Bis die kompletten genetischen Codes einzelner Organismen – allen voran des Menschen – erfasst und im Detail verstanden sind, werden noch etliche Jahre vergehen. Die Entwicklung möglicher Anwendungsstrategien erfolgt bereits parallel zu diesen Bemühungen: gezielte Therapierung durch genetische Defekte verursachter Krankheiten, nicht vererbliche und vererbliche Veränderung des genetischen Inventars bei Tier und Mensch, Klonen und schließlich die Erzeugung veränderter höherer Lebewesen quasi aus dem Computer.

Besonders wichtig in der Forschung 1999 – weil technisch mindestens ebenso zukunftweisend wie weiland die Erfindung der Kunststoffe – ist die Entwicklung neuartiger Materialien. Einige Eigenschaften schauen die Wissenschaftler heute der Natur ab. So sind z. B. Lotusblätter von Wasser absolut unbenetzbar. Sie verfügen über ungewöhnliche Antihafteigenschaften. Gleiches erreichen Materialwissenschaftler neuerdings mit komplexen Hybridmaterialien (PEFS) aus niedermolekularen Tensiden (Seifen) und hochmolekularen Verbindungen (Polymeren), die eine völlig neue Materialklasse mit ungewöhnlichen Eigenschaften und an Flüssigkristalle erinnernden Strukturen darstellen. Besonders ihre Antihaftqualitäten sind frappant. Der technische Einsatz wird breit sein: Skiwachse mit geringem Reibungskoeffizienten, Gebäudeoberflächenbeschichtungen, auf denen selbst Graffiti nicht haften, giftfreie PEFS-Aufträge auf Schiffsrümpfe, die Algenbewuchs unmöglich machen, usw.

Unmittelbar den Fixierungs- und Arretierungssystemen an Insektenfüßen abgeschaut sind neue Materialien, die derzeit Biotechnologen an der Technischen Hochschule Ilmenau entwickeln. Das Ziel sind Materialoberflächen mit technischen Mikrostrukturen, wie sie z. B. weitaus gröber vom Klettverschluss bekannt sind. Mögliche Anwendungsgebiete sind die Feinstmechanik, die Entwicklung oberflächenaktiver Verbundwerkstoffe, aber z. B. auch die Schädlingsbekämpfung. Ebenfalls biologischen Vorbildern entspringen die Ideen, künstliche Muskeln zu entwickeln. Gelungen ist das kürzlich einem internationalen Wissenschaftlerteam mit Forschern aus Deutschland, Australien, Italien und den USA mit einem Fasergeflecht aus mikroskopischen Kohlenstoffröhrchen. Die feinen Röhrchen sind sogar unvergleichlich reißfester als natürliche Muskeln. Sie erreichen mechanische Eigenschaften, wie sie vom Diamant her bekannt sind, und lassen sich bei Temperaturen bis zu 1000 °C einsetzen. Zu aktiven Bewegungen veranlasst werden die künstlichen Muskeln genauso wie die natürlichen Muskeln bei Tier und Mensch: elektrochemisch.

Mikrostrukturphysiker sind es, die den Computern zu völlig neuartigen Arbeitsspeichern mit bisher unbekannten Speicherdichten verhelfen wollen. Das Schlüsselwort heißt »Spin-Elektronik«. Dabei spielen Prozesse an Oberflächen, Grenzflächen und inneren Strukturen aus ferromagnetischen Materialien auf mikroskopischer bis atomarer Skala eine Rolle. Sie sollen es gestatten, stromlose Arbeitsspeicher zu verwirklichen.

Ein besonderes Highlight bringt 1999 die Polymerforschung. Ihr ist es gelungen, die Lasertechnik, bisher traditionelle Domäne für anorganische Halbleitermaterialien, auch für organische Polymere zu öffnen. Ein am Max-Planck-Institut für Polymerforschung entwickeltes, Licht emittierendes Polymer kann auf Plastikresonatoren, die in eine biegsame Kunststofffolie eingebettet sind, als dünne Schicht aufgebracht werden. Mit der so erzeugten Spiegelanordnung lässt sich »normales« Licht in blaugrünes Laserlicht umwandeln. Nun suchen Forscher verschiedener Institutionen nach Wegen, den Resonator auch elektrisch anzuregen. Gelingt dieser Schritt, dann werden billige Plastikdioden schon bald die teuren Halbleiter-Laserdioden ersetzen. Aber auch die Grundlagenforschung hat 1998/99 auf dem Gebiet der Laserphysik einen spektakulären Durchbruch erzielt. Zum ersten Mal gelang es Physikern, einen kontinuierlichen Strahl von Atomen zu erzeugen, der so geordnet ist wie ein Laserstrahl. Dieser Atom- oder Materielaser ist rein technisch noch verbesserungsbedürftig, um im Dauerbetrieb arbeiten zu können. Gelingt das, dann könnten z. B. Atomlaser ähnlich wie ein winzig kleiner Laserdrucker sehr dünne und exakte Strukturen auf elektronische Halbleiterchips auftragen.