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15.06.2015 | Fertigungstechnik | Schwerpunkt | Online-Artikel

Nanofertigung auf Basis von Selbstverdopplung

verfasst von: Dieter Beste

2 Min. Lesedauer

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Forscher möchten von der DNA-Synthese der Natur lernen und selbst replizierende biologische Vorgänge technisch nachbilden. Ziel sind völlig neue Fertigungstechniken.

Die Natur beherrscht die erstaunliche Fähigkeit der Selbstverdopplung: Die Selbstreplikation von DNA- und RNA-Molekülen ist Basis unseres Lebens. Diesen Mechanismus möchte Alexander Böker auf künstliche Systeme übertragen. Seine Arbeit im Rahmen des Forschungsprojekts RepliColl wird nun vom Europäischen Forschungsrat mit 1,9 Millionen Euro für fünf Jahre gefördert.

„Wir wollen Materialien schaffen, die in der Lage sind, sich selbst zu kopieren“. Böker entwickelt dazu Kolloide (Nanopartikel) aus Polymeren. Die winzigen kugelförmigen Gebilde sind zwischen 20 Nanometer und einem Mikrometer groß. Jedes Kolloid hat zwei funktionelle Stellen, an denen die Kolloide untereinander fest verbunden werden können. Das Produkt ist vergleichbar mit einer Perlenschnur. Über eine dritte funktionelle Stelle am Kolloid können die Perlenschnüre auch untereinander verbunden werden. Diese Reaktion ist allerdings umkehrbar. Somit können sich die Perlenschnüre wieder voneinander lösen, um sich dann jeweils selbst zu kopieren. Die Wiederholung dieses Verdopplungsprozesses führt dazu, dass die Zahl der Perlenschnüre exponentiell wächst.

Von Perlenschnüren zu Gitterstrukturen

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„Sind die Perlenschnüre zudem auch noch in der Lage, sich von allein in einer definierten Struktur periodisch anzuordnen, erhalten wir winzige Gitterstrukturen mit hohen Beugungssymmetrien. Sie leiten nur Lichtstrahlen einer einzigen Wellenlänge in eine bestimmte Richtung weiter. Dieser Effekt wird in der Photonik genutzt, um in optischen Technologien Informationen zu speichern oder zu übertragen. Um diesen Effekt erzielen zu können, muss die Gitterstruktur jedoch mehrere Hundert Nanometer groß sein – ein Ziel, dass wir mit der Selbstverdopplung erreichen möchten“, erklärt Alexander Böker.

Die große Herausforderung solcher synthetischer Systeme bestehe darin, die Wechselwirkungen zwischen den Perlenschnüren in alle Richtungen zu kontrollieren und das Zusammenspiel zwischen reversiblen und irreversiblen Bindungen zu steuern. Ist solch ein Kolloid als „programmierter Baustein“ einmal entwickelt, könnte sich dieser anhand eines Masters selbstständig in identische Kopien der Ausgangsstruktur anordnen und somit auch komplexeste Zielstrukturen selbstständig fertigen. Für die Industrie würde dies eine intelligente, ressourceneffiziente und maßgeschneiderte Fertigung von Bauteilen im Rahmen der vierten industriellen Revolution bedeuten. Denkbar sind nach Überlegungen Brückers etwa Bauteile für Displays oder Speichermedien, aber auch Transportkapseln für die Pharmaindustrie oder Sicherheitsmerkmale zur Bekämpfung von Produktpiraterie.

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