Das Weltwirtschaftsforum (WEF) bat eine Gruppe internationaler Technologieexperten, die diesjährigen Top 10 der aufstrebenden Technologien zu ermitteln. Nachdem die Gruppe bei weiteren Experten auf der ganzen Welt Nominierungen eingeholt hatte, bewertete sie Dutzende von Vorschlägen gemäß einer Reihe von Kriterien. Haben die vorgeschlagenen Technologien das Potenzial, den Gesellschaften und Volkswirtschaften einen großen Nutzen zu bringen? Könnten sie die etablierten Vorgehensweisen ändern? Werden sie in den nächsten Jahren voraussichtlich erhebliche Fortschritte machen? „Technologien, die heute entstehen, werden die Welt morgen bald und weit in die Zukunft gestalten – mit Auswirkungen auf die Wirtschaft und die Gesellschaft insgesamt“, sagte Mariette DiChristina, Chefredakteurin von Scientific American und Vorsitzende des Emerging Technologies Steering Committee. Auf der Suche nach den Ursprüngen der Innovation wird IO die Top-10 der aufkommenden Technologien des WEF in einer 10-teiligen Serie präsentieren. Heute: Winzige Linsen.

Nach der Veröffentlichung von Teil 10 finden Sie die gesamte Serie hier.

Halbleiterriesen wie ASML bauen auf dem Moore’schen Gesetz und perfekten optischen Lösungen wie Zeiss-Linsen auf. Aber während Telefone, Computer und andere elektronische Geräte immer kleiner geworden sind (genau wie Moore sagte), sind ihre optischen Komponenten laut den WEF-Forschern nicht kleiner geworden. „Es ist sehr schwierig, kleine Linsen mit Hilfe der traditionellen Glasschneide- und Biegetechnik herzustellen. Außerdem müsse die Elemente in einer Glaslinse oft gestapelt werden, um das Licht richtig zu fokussieren.“ Aber es gibt Licht am Ende des Tunnels.

In letzter Zeit haben Ingenieure aber Wege gefunden, um viel kleinere und leichtere Alternativen, die so genannten Metalllinsen, herzustellen. Diese Linsen könnten eine stärkere Miniaturisierung von Mikroskopen und anderen Laborgeräten sowie von Konsumgütern wie Kameras, Virtual Reality Headsets und optischen Sensoren für das Internet der Dinge ermöglichen. Und sie könnten die Funktionalität von Glasfasern verbessern.

Ein Metallobjektiv besteht aus einer ebenen Oberfläche mit einer Dicke von weniger als einem Mikrometer, die voller nanoskaliger Objekte ist, wie Säulen oder Bohrungen. Wenn Licht auf diese Elemente fällt, ändern sich viele seiner Eigenschaften – einschließlich Polarisation, Intensität, Phase und Ausbreitungsrichtung. Forscher können die nanoskaligen Objekte präzise positionieren, um sicherzustellen, dass das Licht, das aus den Metallobjekten austritt, bestimmte Eigenschaften hat. Darüber hinaus sind Metalllinsen so dünn, mehrere übereinander sitzen können und immer noch winzig klein sind.

Kosten

Es gibt noch einen weiteren Vorteil von Metalllinsen. Neben der kleineren Größe sollten Metalllinsen letztlich auch die Kosten für optische Komponenten senken, da die kleinen Linsen mit den gleichen Geräten hergestellt werden können, die bereits in der Halbleiterindustrie eingesetzt werden. „Diese Funktion erhöht die Attraktivität, z.B. die optischen und elektronischen Komponenten eines kleinen Lichtsensors nebeneinander auf denselben Maschinen herzustellen.“

Vorerst sind die Kosten jedoch noch hoch, da es schwierig ist, nanoskalige Elemente auf einem Chip präzise zu platzieren. Auch andere Einschränkungen müssen angegangen werden. Bisher waren Metalllinsen bei der Lichtübertragung weniger effizient als herkömmliche Linsen – eine wichtige Einschränkung für Anwendungen wie die Vollfarbbildgebung. Darüber hinaus sind sie zu klein, um eine große Lichtmenge aufzunehmen, was sie für hochwertige Fotos ungeeignet macht.

Die WEF-Forscher sind jedoch überzeugt, dass die winzigen Linsen in den kommenden Jahren ihren Weg in kleinere, einfacher herzustellende Sensoren, Diagnosewerkzeuge wie endoskopische Bildgebungsgeräte und Glasfasern finden werden. „Diese potenziellen Anwendungen sind attraktiv genug, um Forschungsunterstützung von Regierungsbehörden und Unternehmen wie Samsung und Google zu erhalten. Mindestens ein Start-up-Unternehmen, Metalenz, erwartet, dass es in den kommenden Jahren Metallkonzepte auf den Markt bringen wird“.

(Der größte Teil dieses Artikels stammt aus dem Bericht 2019 Top 10 Emerging Technologies).