"Drei Größenordnungen schaffen eine neue Wissenschaft" - so beschreibt der Teilchenphysiker Murray Gell-Mann, der Entdecker der Quarks, was Forscher bei ihrer Reise in die Welt des Allerkleinsten erwartet. Und die Welt des Allerkleinsten, das ist für die Nanoforscher das Reich der Atome und Moleküle. Ihre Größenordnung ist der Milliardste Teil eines Meters, das Nanometer.

Bakterien - 100 Mal größer als ein Nanometer © CDC

Ein Nanometer entspricht gerade einmal zehn Wasserstoffatomen in einer Reihe nebeneinander gelegt. Ein Bakterium, immerhin eines der kleinsten Lebewesen auf der Erde, ist bereits tausendmal größer. Und eine Nadelspitze ist im Vergleich geradezu gigantisch groß: sie umfasst bereits eine Million Nanometer.

Doch das Reizvolle an der Nanowelt ist nicht nur die Faszination des Winzigkleinen, des Vordringens in eine Welt des Unsichtbaren. Es ist vor allem auch die Andersartigkeit dieser Miniaturwelt: "Wenn wir hinuntergehen und mit den Atomen dort herumspielen, arbeiten wir unter anderen Gesetzmäßigkeiten, und wir erwarten, auch andere Dinge tun zu können", prognostizierte schon der Physiker Richard Feynman im Jahr 1959.

Die Nanowelt bewegt sich an der Grenze zwischen dem Reich der Quantenmechanik und der "Makrowelt", dem für uns "normalen" Bereich. Während im Reich der Quanten noch weitgehend unerforschte Kräfte die Beziehungen der einzelnen Atome untereinander beeinflussen und unkalkulierbar machen, ist es auf der Makroebene erst das kollektive Zusammenwirken von Milliarden von Atomen, das die Eigenschaften von Materialien bestimmt.

Im Zwischenreich der Nanowelt herrschen jedoch wieder ganz eigene Gesetze: Reduziert auf die Größe von Atomen entwickeln ganz gewöhnliche Materialien wie Kohlenstoff oder Metalloxide plötzlich neue und unberechenbare Charakterzüge: Die Winzlinge zeigen beispielsweise eine unerwartete chemische Reaktivität, sind extrem und unverhältnismäßig stabil und zugfest, oder weichen in ihrer Leitfähigkeit oder dem elektrischen Widerstand deutlich von ihren größeren Verwandten ab. Und dies alles, obwohl sie in chemischer Hinsicht mit ihnen vollkommen identisch sind - der einzige Unterschied ist die Größenordnung.