«INSECTENBELUSTIGUNGEN» und «mikroskopische Gemüths- und Augen-Ergötzung» gehörten in den Salons des 17. und 18. Jahrhunderts zum beliebten Zeitvertreib. Die Idee, durch zwei hintereinander angeordnete Glaslinsen kleine Dinge vergrössert zu betrachten, war bereits im frühen 16. Jahrhundert in wissenschaftlichen Schriften aufgetaucht. Wer dann das erste «Mikroskop» baute, ist bis heute umstritten. Waren es um 1590 die Brillenmacher Hans und Zacharias Jansen aus dem holländischen Middelburg? Oder doch eher nach 1610 Tüftler im Umfeld von Galileo Galilei, der Linsen bereits für den Blick in kosmische Weiten verwendete?
Fernrohr und Mikroskop nutzen das gleiche optische Prinzip; lediglich die Anordnung der konkaven und konvexen Linsen ist verschieden. Während aber das Teleskop die Astronomie umgehend revolutionierte - Galilei hatte damit Mondkrater, Jupitertrabanten und die Phasen der Venus entdeckt -, blieb das Mikroskop lange Zeit Spielzeug für «allerley Ergötzliches». Dass es am Sternenhimmel Grossartiges zu entdecken gab, war offensichtlich; von der Welt des ganz Kleinen erwartete man nichts Aufregendes.
So wurden die wohlvertrauten Läuse und Flöhe zum bevorzugten Schauobjekt der frühen Mikroskopie. Erst in der zweiten Hälfte des 17. Jahrhunderts begann sich die Wissenschaft für das Mikroskop als Forschungsinstrument zu interessieren. Die aus mehreren Glaslinsen konstruierten Geräte hatten indes eine Tücke. Die Bildqualität litt stark unter der chromatischen Aberration - Farbsäume an den Konturen machten bei stärkerer Vergrösserung die Bilder beinahe unkenntlich. Chromatische Aberration tritt auf, weil kurzwelliges Licht beim Durchwandern einer Glaslinse stärker gebrochen wird als langwelliges. Mehrere Linsen hintereinander akzentuieren die Farbstörungen. Man musste sich deshalb auf Vergrösserungen zwischen 50- und 150fach beschränken, bis 1757 John Dollond in England einen Weg durch die «chromatische Schallmauer» fand und die ersten farbkorrigierten Objektive baute. Das Geheimnis: Dollond verkittete eine Glassorte geringer Brechung (Kronglas) mit stark brechendem Bleiglas (Flintglas).
Ein holländischer Tuchhändler hatte allerdings schon früh gezeigt, wie man dem leidigen Linsenproblem aus dem Weg gehen konnte. Antonie van Leeuwenhoek machte aus der Lupe, dem einlinsigen Vergrösserungsglas, Mikroskope von fast unglaublicher Qualität. Leeuwenhoek schliff Glaskugeln so klein wie Stecknadelköpfe. Die winzigen Linsen mit Durchmessern von wenigen Millimetern, ja manchmal nur Bruchteilen eines Millimeters, montierte er auf einem Messinghalter in eine kleine Öffnung und befestigte das zu beobachtende Objekt auf einer Nadel direkt hinter dem Loch. Hielt man das esslöffelgrosse Gerät gegen das Licht und schaute hindurch, zeigte sich im Glaskügelchen das vergrösserte Bild. So zu mikroskopieren war äusserst anstrengend. Durch das Miniloch fiel nur sehr wenig Licht, das Sehfeld war winzig, und das Bild, das auf der Oberfläche der Kugellinse erschien, stark gewölbt. Dafür lieferte diese Technik Abbildungen in fast 300facher Vergrösserung - es liessen sich noch Details von einem Tausendstel Millimeter erkennen.
Leeuwenhoek schliff im Laufe der Jahre eigenhändig mehr als 500 Linsen. Was er damit sah, war sensationell. Im Sommer 1674 holte er aus einem Fass hinter dem Haus abgestandenes Wasser. «Ich gewahrte so viele kleine Tierchen, und ihre Bewegung im Wasser war so geschwind und so vielfältig, aufwärts, abwärts, im Kreise», notierte er, «dass es wunderbar anzuschauen war.» Die Entdeckung von Lebewesen im scheinbar leeren Wasser erregte auch die Phantasie des einfachen Volkes. 1677 untersuchte Leeuwenhoek den menschlichen Samen - «animalcules», mikroskopisch kleine Tierchen, schwammen auch in dieser Flüssigkeit. Mit der Ansicht, sie seien der Anfang des späteren Menschen und nicht bloss fremde Parasiten, stellte sich der Amateurforscher quer zur herrschenden Lehre, wonach die menschliche Anlage im weiblichen Ei ruhe und der Samen lediglich als Stimulus zum Wachstum diene.
1683 nahm Leeuwenhoek den Mund unter die Lupe. Auf einer Probe des Zahnbelages sah er wiederum Kleingetier. Worauf er die ehrwürdige Royal Society of London in einem seiner Briefe mit der Bemerkung verblüffte, in seinem Mund gebe es mehr Lebewesen als Menschen in den Niederlanden. Leeuwenhoek hatte die Bakterien entdeckt. Deren enorme Bedeutung für unsere guten und schlechten Tage sollten erst Robert Koch und Louis Pasteur erkennen - fast ein Jahrhundert später und ebenfalls mit Hilfe des Mikroskops.
Der Blick durch das Mikroskop hat die Meinung des Menschen über seinen Körper und die Umwelt grundlegend geändert. Dominierte früher die Vorstellung, die Natur werde von unsichtbaren Kräften und Mächten aus dem Kosmos gesteuert, tat sich jetzt als Lebensquelle der Mikrokosmos auf. Und mit jeder Steigerung der Vergrösserung zeigten sich neue Strukturen und Organismen mit einer ungeahnten Vielfalt an Formen und Farben. Der Lust, in immer kleinere Dimensionen vorzustossen, setzte allerdings 1875 der deutsche Physiker Ernst Abbe, Professor an der Sternwarte in Jena, eine klare Grenze. Das Auflösungsvermögen von Mikroskopen - der Abstand, den zwei Punkte eines Objektes höchstens haben dürfen, damit man sie noch als getrennt erkennt - könne wegen der Beugung der Lichtstrahlen in den Linsen nicht grösser sein als die Wellenlängen des Lichtes, postulierte der Gelehrte. Da sichtbares Licht von Rot bis Violett Wellenlängen zwischen 0,75 und 0,38 Mikrometern (Tausendstelmillimeter) hat, liegt die Grenze mikroskopischer Auflösung bei etwa 0,4 Mikrometern. Mit Ultraviolettlicht lässt sich die Sache noch bis 0,2 Mikrometer treiben, was einer 1500fachen Vergrösserung entspricht.
Mit der naturgegebenen Hürde wollte sich der menschliche Erfindergeist nicht abfinden. 1931 gelang dem deutschen Elektrotechniker Max Knoll und seinem Studenten Ernst Ruska der Bau eines Elektronenmikroskops. Sie hatten sich zunutze gemacht, dass bewegten Elektronen sowohl die Natur von Materieteilchen als auch die von Wellen zukommt. Einem mit 100 Kilovolt in Trab gesetzten Elektron entspricht eine Wellenlänge von 0,004 Nanometern (Milliardstelmeter). Die Pforte zur Welt des Allerkleinsten schien offen.
Die technische Umsetzung der Idee war allerdings schwierig. Denn für einen ungestörten Elektronenfluss brauchte es Ultrahochvakuum. Statt Glaslinsen mussten starke Magnetfelder zur Fokussierung der Elektronenstrahlen eingesetzt werden. Deshalb musste man sich in der Praxis der Elektronenmikroskopie mit einer Steigerung um das 100- bis 1000fache gegenüber dem Lichtmikroskop zufriedengeben. Die Verbesserung genügte, um nun auch die Moleküle, die chemischen Bausteine der Welt, sichtbar zu machen. Mit der Entdeckung der DNA (Desoxyribonukleinsäure) im Zellkern wurde die Basis der genetischen Vererbung und damit gleichsam die Mutter aller biologischen Moleküle gefunden. Auch tauchte aus dem Schatten der Mikrowelt eine neue Klasse von Bösewichten auf: die 10 bis 300 Nanometer kleinen Viren. Dank dem Elektronenmikroskop wurde die Molekularbiologie zur Paradedisziplin der modernen Bioforschung. Allerdings ist im Vakuum Leben nicht mehr möglich, was dem Erkunden Grenzen setzt.
Mit dem Rastertunnelmikroskop (RTM) stiess die Forschung in eine neue Dimension vor: Sie griff nach den Atomen, den Bausteinen der chemischen Elemente. Heinrich Rohrer und Gerd Binnig vom IBM-Forschungslabor in Rüschlikon bei Zürich hatten die Idee, auf das Abbilden mit optischen oder elektrischen Strahlen zu verzichten; sie wollten, wie ein Blinder mit seinem Stock, direkt in der Mikrowelt stochern. 1981 bauten sie ein Mikroskop mit einer beweglichen Nadel, deren Wolframspitze zuvorderst nur noch ein einziges Metallatom trägt - einen nanometerkleinen Tastfinger. Nähert man ihn im Ultrahochvakuum einer elektrisch leitenden Oberfläche, kommen sich bei einem Abstand von etwa einem Nanometer die Atome von Tastfinger und Oberfläche so nahe, dass Elektronen zwischen den beiden Leitern zu fliessen beginnen, obschon sie sich nicht touchieren. Dieser «Tunneleffekt» kann nur mit der Theorie der Quantenmechanik verstanden werden, denn in der klassischen Physik stellt ein noch so schmaler Spalt für die Elektronen im Vakuum ein unüberwindliches Hindernis dar.
Je näher die Metallsonde der Oberfläche kommt, desto stärker fliesst der Tunnelstrom. Führt man die Nadelspitze rasterartig über die zu untersuchende Oberfläche und zeichnet den jeweils fliessenden Strom Zeile für Zeile auf, entsteht ein plastisches Abbild dieser Oberfläche, ähnlich einem dreidimensionalen Landschaftsmodell. Der Tunneleffekt ist derart empfindlich, dass ein Absenken der Nadel um 0,1 Nanometer den Tunnelstrom um das Zehnfache ansteigen lässt. Das RTM erlaubt den Blick in Dimensionen von Hundertsteln von Nanometern - eine Landschaft, in der die Atome sich wie Billardkugeln ausmachen.
Mit dem RTM lassen sich Atome nicht nur sehen, sondern auch - im Wortsinn - begreifen. Denn rückt man mit der Spitze der Sonde einem Material auf den Leib, bleiben einzelne Atome daran hängen. So vermag der Nanofinger Atome einzeln zu packen und an anderer Stelle wieder auf der Unterlage abzusetzen.
Das Rasterkraftmikroskop (RKM) ist eine Weiterentwicklung des RTM. Mit ihm lassen sich auch nichtleitende Materialien untersuchen, es eröffnet den atomaren Blick in die Biowelt. Der Trick: Man misst nicht den Tunnelstrom, sondern die Kraft, mit der eine hauchdünne bewegliche Zunge von einer Unterlage angezogen oder abgestossen wird. Je nach Anordnung lassen sich mechanische Reibungskräfte, magnetische oder auch elektrostatische Kräfte messen. Der nanometergenauen Inspektion von Oberflächen steht nichts mehr im Weg. Dank dem RKM versteht man jetzt besser, wie Reibung, Verschleiss und Schmierung vor sich gehen; es liessen sich Fragen der Korrosion klären; man optimierte Beschichtungstechniken - Dinge, deren volkswirtschaftliche Bedeutung in die Milliarden von Franken geht. Den Möglichkeiten der Nanoarbeiter sind anscheinend keine Grenzen gesetzt: Mit der RKM-Sonde als Nanopflug werden zur Herstellung neuartiger Lichtleiter für die Nachrichtentechnik kleinste Furchen in einen Flüssigkristall gegraben. Gearbeitet wird auch an mechanisch-elektronischen Datenspeichern: Millionen miniaturisierter Rasterkraftsonden sollen auf einer hauchdünnen Polymerfolie Daten schreiben und lesen.
Hat das ehrwürdige Lichtmikroskop ausgedient? Nein. Denn in den Naturwissenschaften ist der direkte Zugang zur Mikrowelt, das Betrachten von Objekten im sichtbaren Licht, nach wie vor unabdingbar. Und das Lichtmikroskop erlaubt den Blick auf lebende Objekte. Die Forscher haben sich allerhand einfallen lassen, um die Grenze der optischen Auflösung zu umgehen.
In der Fluoreszenzmikroskopie bestrahlt man das zu untersuchende Objekt mit kurzwelligem UV-Licht und profitiert davon, dass entsprechend präparierte Materialien im längerwelligen, sichtbaren Bereich zu leuchten beginnen. So können noch einzelne fluoreszierende Moleküle als Leuchtpunkte gesehen werden, obschon ihre physische Grösse weit unterhalb der optischen Auflösung liegt. Das Interferenzmikroskop nutzt eine andere optische Eigenschaft: Bei der Lichtbrechung an sehr nahe beieinander liegenden Flächen verschieben sich die Lichtwellen ein klein wenig gegeneinander, wodurch Interferenzmuster entstehen. Der Effekt zeigt sich am Präparat schon bei nanometerkleinen Höhen- und Dickenunterschieden, was mehr als hundertmal unterhalb der optischen Auflösungsgrenze liegt.
Es mag eine Ironie der Technikgeschichte sein, dass just die Erfolgsstory der Rastersondenmikroskopie zu einem Triumph moderner Lichtmikroskopie führte. Denn man kann in Nanomikroskopen auch eine Lichtquelle als Sonde verwenden. Positioniert man eine extrem dünne Glasfaser näher als etwa 100 Nanometer über einer Fläche und schickt Laserlicht durch die Faser, wird die Fläche von einem Lichtfleck beleuchtet, der wesentlich kleiner als die Lichtwellenlänge ist. Die so aufscheinenden Details sind wiederum viel feiner als beim herkömmlichen Lichtmikroskop. Indem man die Oberfläche eines Objektes zeilenweise abtastet, gewinnt man ein optisches Bild mit einer Auflösung von nur noch einigen Nanometern.
Dieses optische Rasternahfeldmikroskop hat den grossen Vorteil, dass die ganze Fülle optischer Informationen - Lichtintensität, Farben, Polarisation und selbst Fluoreszenz - zur Verfügung steht. Damit lassen sich etwa minimste Verunreinigungen auf Computerchips sehen. Oder man kann an der lebenden Zelle beobachten, wie sie wächst und sich teilt, wie sie chemisch arbeitet und mit ihren Nachbarzellen kommuniziert. Und auch der Nanolichtfinger kann handgreiflich werden: Ein Laserblitz durch die Glasfaser lässt auf der Probe nanometergenau Moleküle verdampfen - eine Möglichkeit, feinste chemische Analysen durchzuführen oder auch allerkleinste Stoffmengen zu manipulieren.
Herbert Cerutti ist Wissenschaftsredaktor der NZZ.