Forscher der Harvard Universität haben ein Verfahren entwickelt, mit dem die kontrollierte Herstellung winziger elektronischer und biotechnologischer Komponenten möglich wird. Das von ihnen “ion-beam sculpting” (deutsch: Ionenstrahlmodellierung) getaufte Verfahren ermöglicht nicht nur das Bohren winziger Löcher im Nanometerbereich, sogenannter Nanoporen, es bietet auch einen bisher nicht erreichten Grad an Kontrolle über Form und Größe solcher Löcher, berichten die Wissenschaftler in Nature.
Das Team um Jiali Li versuchte, Nanoporen durch Beschuss einer Si3N4-Mambran mit niederenergetischen Argon-Ionen zu erzeugen. Die Größe der Nanopore wurde durch die Messung der von ihr durchgelassenen Argon-Ionen bestimmt. Erstaunt stellten die Wissenschaftler fest, dass sich die Nanopore durch den Ionenbeschuss auch schließen kann, statt größer zu werden.
Weitere Experimente und theoretische Überlegungen führten zu einer plausiblen Erklärung: Der Ionenstrahl kann einerseits Atome aus der Membran herausschlagen und so das Loch vergrößern. Andererseits lockert der Ionenstrahl auch Atome neben der Pore, die dann – durch Kapillarkräfte angetrieben – in die Pore diffundieren und diese schließen. Welcher dieser beiden konkurrierenden Prozesse obsiegt, hängt von der Probentemperatur und der Intensität des Ionenstrahls ab.
Auf diese Weise hat man einen Schlüssel zur kontrollierten Herstellung extrem kleiner Löcher in der Hand. Man startet bei geeigneter Temperatur und Strahlintensität mit einem “großen” Loch und stellt den Ionenstrahl ab, kurz bevor das Loch sich geschlossen hat.
In einem weiteren Experiment veranschaulichten die Forscher mögliche Anwendungen ihrer Technik, indem sie mit ihr einen DNA-Detektor anfertigten. Als Detektor diente dabei eine fünf Nanometer große Pore in einer Si3N4-Membran. Mit ihm konnten sie die Diffusion einzelner DNA-Moleküle durch die Nanopore zwischen zwei mit Wasser gefüllten Behältern nachweisen, die durch die Membran getrennt waren. Die kontrollierte Formbarkeit der Löcher könnte so in Zukunft den Bau von Detektoren ermöglichen, die gezielt bestimmte Moleküle in geringsten Konzentrationen nachweisen können.
Nanoporen sind in lebenden Organismen allgegenwärtig. Sie regulieren das elektrische Potenzial, den Ionenfluss und den molekularen Transport durch die Zellmembran. In elektronischen Bauteilen dienen sie als Schalter oder sorgen für effiziente elektrische Kontakte. Zudem können sie als Schablonen zur Herstellung weiterer nanoskaliger Strukturen verwendet werden.
Arndt Dürr
