Künstliche Intelligenz kann nicht nur Autos steuern oder große Datenmengen analysieren, sondern neuerdings auch gezielt einzelne Moleküle wie Legosteine greifen und kombinieren. Das eröffnet neue Möglichkeiten für die Nanotechnologie.
Eine winzige Metallnadel gleitet über die Oberfläche, angelt sich ein Molekül und setzt es an anderer Stelle wieder ab. Dann beginnt das Prozedere von vorne. „Wir arbeiten mit Molekülen wie mit Legobausteinen – und können so vergleichsweise schnell und günstig komplexe Strukturen im Nanobereich bauen“, beschreibt Stefan Tautz, Direktor des Peter Grünberg Instituts (PGI-3), was mit der neuen Entwicklung der Jülicher und Berliner Experten möglich ist. Die Wissenschaftler nutzen ein sogenanntes Rastertunnelmikroskop, das eigentlich dazu dient, atomare Details von Oberflächen abzubilden. Dazu misst die extrem feine Metallspitze winzige elektrische Ströme, die zwischen ihr und der Oberfläche fließen. Die dabei auftretenden Kräfte lassen sich aber auch nutzen, um einzelne Moleküle von der Oberfläche zu lösen und an anderer Stelle zu platzieren.
Aber: „Bisher steuerte ein Mensch die Spitze per Hand“, sagt Tautz. „Das geschieht eher intuitiv.“ Da aber im Mikrokosmos andere Gesetze gelten als in unserer Alltagsumgebung – die Schwerkraft spielt zum Beispiel keine Rolle –, macht der Mensch leicht Fehler. Die Wissenschaftler setzen daher auf künstliche Intelligenz (KI): Sie wird nicht durch Vorkenntnisse beeinflusst und lernt stoisch, welche Kräfte zwischen Molekül und Metallspitze wirken und wie sich Moleküle am besten bewegen lassen. „Zielführende Aktionen der KI werden vom System belohnt“, erklärt Christian Wagner, Leiter der ERC-Arbeitsgruppe Molekülmanipulation am Forschungszentrum Jülich. Auf diese Weise wird die KI immer besser. „Allerdings braucht sie dazu sehr viele Wiederholungen unter stets gleichen Bedingungen“, sagt Wagner. Im Nanobereich ist das aber kaum möglich, da sich die Voraussetzungen ständig ändern. Sobald die Atome und Moleküle ihre Anordnung verändern, wirken nämlich andere Kräfte. „Das ist gewissermaßen so, als ob beim Legobauen dauernd die Schwerkraft schwankt“, vergleicht Wagner. Aus diesem Grund ließen die Forscher die KI zusätzlich etwas über die Umgebung lernen, in der ein Molekül bewegt wird. Mit diesem Wissen konnte die KI im Virtuellen trainieren, was den Lernprozess enorm beschleunigte.
Eine mögliche Anwendung ihrer Erfindung sehen die Forscher in der Herstellung von Prototypen, wie man es vom 3D-Druck kennt – nur mit viel mehr Möglichkeiten: „Moleküle gibt es in einer fast endlosen Vielfalt“, schwärmt Tautz. „Es lässt sich noch gar nicht erahnen, was sich mit der neuen Methode alles auf Nanoebene konstruieren lässt.“ Naheliegend seien etwa Quantenbauteile oder innovative Werkstoffe.
Janosch Deeg
Künstliche Intelligenz steuert die Bewegungen eines Rastertunnelmikroskops: Derzeit trainiert sie, ein Molekül mit der Spitze des Mikroskops zu greifen und abzuheben – später soll sie es auch gezielt an anderer Stelle absetzen. Anfangs sind die Bewegungen zufällig. Nach jedem Durchgang lernt die KI aus den gesammelten Erfahrungen und arbeitet dadurch immer planmäßiger.
Die künstliche Intelligenz (KI) bekam die Aufgabe, einzelne Moleküle aus einer geschlossenen Moleküllage zu entfernen. Zunächst wird eine Verbindung zwischen Mikroskop-Spitze (oben) und Molekül (Mitte) aufgebaut. Dann versucht die KI, das Molekül durch Bewegung der Spitze zu entfernen, ohne dass der Kontakt bricht. Anfänglich sind die Bewegungen zufällig. Nach jedem Durchgang lernt die KI aus den gesammelten Erfahrungen und wird dadurch immer besser.
Illustration: SeitenPlan, Video: Forschungszentrum Jülich / Christian Wagner
