National Geographic Kids und IBM Research lancieren Wettbewerb für das kleinste Magazin-Cover der Welt

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Zürich, Schweiz, 10. März 2014—Um bei Kindern und Jugendlichen mehr Begeisterung für die Nanotechnologie zu wecken und aufzuzeigen, was heute mit innovativen Methoden möglich ist, wollen das Magazin National Geographic Kids und Forscher von IBM Research in Rüschlikon die kleinste Magazin-Titelseite der Welt erstellen. Welches von fünf Bildern auf der Titelseite in Nano-Grösse produziert werden soll, können Kinder und Jugendliche bis zum 10. April, auf der Webseite von National Geographic Kids bestimmen. Das Projekt ist auch ein Guinness-Weltrekord-Versuch. Bei Erfolg wird der Rekord an der Science and Engineering Fair in Washington, USA, am 25. April 2014 angekündigt.

Das Gewinnerbild des Wettbewerbs wird von IBM Forschern in Rüschlikon in einer Grösse von 11 × 14 Mikrometer (Tausendstel Millimeter) mittels eines von ihnen entwickelten innovativen Nanofabrikationsverfahrens hergestellt. Die einzelnen Strukturen bzw. Bildpunkte sind bis zu 10 Nanometer klein. Zum Vergleich, der Durchmesser eines menschlichen Haares beträgt ca. 80 Mikrometer oder 80 000 Nanometer. Auf dieser Skala kommen keine Farben zum Einsatz, die Abbildung wird vielmehr wie ein Relief aus einem Substrat „herausgemeisselt“. Ein Vertreter des Guinness Buchs der Rekorde wird vor Ort im IBM Forschungslabor den Herstellungsprozess begutachten und das Resultat zertifizieren.

„Die Ägypter haben früher Muster und Hieroglyphen in Stein gemeisselt. Mit unserer Technologie können wir nun etwas Ähnliches — allerdings in Kunststoff und viel, viel kleiner. Unser Nano-Cover würde mehr als 1 Millionen Mal auf ein fünf Rappenstück passen,“ sagt Dr. Armin Knoll, Forscher bei IBM Research – Zürich.

Ein „Nano-Meissel“ für kleinste Strukturen

Herzstück des Verfahrens ist eine sehr kleine und extreme scharfe Siliziumspitze, wie sie in Rasterkraftmikroskopen zum Einsatz kommt. Sie ist 500 nm lang und an ihrem Ende nur 5 nm bzw. 50 Atome breit. Die Spitze ist auf einem biegsamen Federbalken angebracht und in ein mikro-elektro-mechanisches System eingebettet. Durch dieses kann sie mit einer Genauigkeit von einem Nanometer und mit hoher Geschwindigkeit über die Oberfläche geführt werden. Durch eine Krafteinwirkung und Erhitzen der Spitze kann sie, wie ein „Nano-Meissel“, gemäss einer programmierten Vorlage gezielt Material auf einer speziell vorbereiteten Oberfläche entfernen. Mit diesem Verfahren lässt sich eine sehr hohe Auflösung von 10 Nanometern erreichen.

Bestehende Verfahren zur Oberflächenstrukturierung, wie die Elektronenstrahl-Lithografie (EL) stossen bei Strukturgrössen unter 30 Nanometern zunehmend an die Grenzen ihrer technischen Leistungsfähigkeit. Zudem ist das Instrument der IBM Forscher einfacher zu bedienen als EL-Systeme. Es ist ausserdem sehr handlich, schnell und findet auf einer Tischplatte Platz. Ein weiterer Pluspunkt des Verfahrens ist die Möglichkeit, das Muster direkt während des Herstellungsprozesses zu überprüfen, in dem die vorgängig hergestellten Strukturen mit der gleichen Spitze auch abgebildet werden. Diese Funktionalität werden die Forscher auch beim Nano-Cover nutzen. Insgesamt wird die Herstellung der Struktur und deren Abbildung nicht mehr als 5 Minuten in Anspruch nehmen.

Wichtig für die Zukunft der IT

Der Nano-Cover-Wettbewerb von National Geographic Kids und IBM Research stellt die Leistungsfähigkeit der Methode auf spielerische Art und Weise unter Beweis. Aber das wahre Potential des Gerätes liegt in anderen Bereichen — etwa in der Forschung und Entwicklung neuer Elektronikbauteile und Informationstechnologien. Für die Zukunft der IT-Industrie ist die Nanotechnologie sehr wichtig. Bereits heute sind Bauelemente in Mikroprozessoren und Speichern im Nanometerbereich. Auf einem Chip von der Grösse einer Briefmarke befinden sich etwa 2,75 Milliarden solcher Basisbauelemente. Um in Zukunft immer leistungsfähigere und energieeffizientere Computertechnologien für Rechen-Clouds, PCs oder mobile Geräte zu entwickeln, braucht es eine neue Generation dieser Basistechnologien, angefangen von neuartigen Transistoren bis zu Quantencomputern und besseren Speichertechnologien. Deren Erforschung und praktische Umsetzung sind in grossem Masse abhängig von der Verfügbarkeit präziser und effizienter Herstellungsmethoden, da bestehende Verfahren, wie die optische Lithografie, bei den immer kleineren Strukturen zunehmend an ihre Grenzen stossen. Der Nano-Meissel der IBM Forscher stellt ein kostengünstiges und vielseitiges Gerät dar, etwa für die Entwicklung von Prototypen für diese neuen Bauelemente. Beispielsweise könnte das Gerät zur Produktion von ausgeklügelten und in präzedenzloser Genauigkeit gefertigter Nanostrukturen für die Anbindung von Quantensystemen genutzt werden, die mit Licht gezielt kontrolliert und manipuliert werden können. 

Die Technik, die die IBM Forscher in 2010 im renommierten Fachmagazin Science vorgestellt haben, wird seit 2012 durch das Startup SwissLitho kommerzialisiert, das von zwei ehemaligen IBM Forschern im Rahmen eines IBM-Technologietransfers gegründet wurde. Ihr NanoFrazor ist das erste erhältliche Produkt, das auf dem neuen Verfahren basiert. Solche Technologietransfers sind Teil von IBMs Strategie, Innovationen in den Markt zu bringen. Mit dem NanoFrazor bietet SwissLitho Kunden aus Forschung und Entwicklung ein innovatives Produkt an, mit dem Nanostrukturen einfach, schnell und kostengünstig produziert und getestet werden können.

Nanotechnologie bei IBM Research - Zürich

Mit der Entwicklung des Rastertunnelmikroskops (STM) durch Gerd Binnig und Heinrich Rohrer am IBM Forschungszentrum in Rüschlikon wurde es erstmals möglich, Oberflächen Atom für Atom zu betrachten. Diese Erfindung, für die die beiden Forscher 1986 den Nobelpreis für Physik erhielten, bildet den Grundstein für die Erforschung des Nanokosmos. Viele sehen im erfolgreichen Ersteinsatz des STMs die Geburtsstunde der Nanotechnologie. Für die Zukunft der IT-Industrie werden das Verständnis von Prozessen auf der atomaren und molekularen Skala und die Fähigkeit, funktionale Nanostrukturen kontrolliert und ökonomisch herzustellen, ausschlaggebend sein. Die Nanoelektronik — insbesondere die Entwicklung neuartiger Schaltelemente — ist für die IBM daher ein wichtiger Forschungsschwerpunkt. Für genau diese Art von Forschung wurde 2011 das Binnig and Rohrer Nanotechnology Center auf dem Campus von IBM Research – Zürich eröffnet. Darüber hinaus leisten IBM Wissenschaftler wichtige Grundlagenforschung und setzen in zahlreichen Forschungskollaborationen das gewonnene Wissen auch in anderen Gebieten, wie der Medizin oder Energie- und Umwelttechnik, ein.