Nanostrukturen sind winzige Strukturen im Nanometerbereich. Sie befinden sich heutzutage in jedem Computer. Durch die Verkleinerung der Strukturen werden Computer immer schneller und kleiner. Alle 18 Monate verdoppeln sich die Transistoren auf einem gleich groß bleibenden Computerchip.

Es gibt zwei Herstellungsverfahren, um solche winzigen Strukturen herzustellen: das Bottom-Up-Verfahren und das Top-Down-Verfahren.

Top Down

Der gebräuchlichste Ansatz um Strukturen im Nanometerbereich herzustellen, ist der Top-Down Ansatz, das heißt vom Großen zum Kleinen. Dabei werden mit lithografischen Prozessen nanostrukturierte Elemente aus größeren Gebilden 'herausgeschnitten'. Das bekannteste Beispiel ist die Mikroelektronik. Mit optischer Lithografie werden heute schon Halbleiterchips mit kritischen Strukturabmessungen von 65nm hergestellt. Wegen der begrenzten Auflösung durch die Wellenlänge des Lichts müssen dabei schon spezielle Tricks (Phasenschiebermasken) eingesetzt werden. Zur Realisierung von Strukturgrößen im Bereich von 1nm wird die Elektronenstrahllithografie eingesetzt.

Bottom Up

Der Bottom-Up Ansatz nutzt Methoden der Selbstorganisation auf molekularer oder nanokristalliner Ebene. Die eindrucksvollsten Beispiele finden sich im biologischen Bereich, zum Beispiel bei der Replikation von DNA-Strängen oder der Selbstorganisation von Proteinen.
Das Prinzip der Selbstorganisation ist aber nicht nur auf biologische Systeme beschränkt, es ist prinzipiell auch auf beliebige atomare oder molekulare Systeme anwendbar, zum Beispiel bei der Synthese von nanokristallinen Werkstoffen und selbstorganisierten Halbleiter- nanostrukturen. Beim Bottom-Up-Verfahren werden aus einzelnen Atomen und Molekülen die Nanostrukturen aufgebaut. Mit dem Rastersondenverfahren kann man einzelne Atome anordnen. Das Verfahren dauert allerdings viel zu lange, um wirtschaftlich umsetzbar zu sein. Nur für die Anordnung von 35 Xenonatomen brauchten die Forscher von IBM mehrere Tage. Es muss daher eine andere Möglichkeit zur Anordnung von Atomen und Molekülen eingesetzt werden, die Selbstorganisation.

Die Selbstorganisation

Bei der Selbstorganisation ordnen sich Atome und Moleküle wie von selbst in bestimmten Strukturen an, die für sie energetisch günstig sind. Ein Traum von Nanoforschern ist es, kleinste Nanofabriken aufzubauen, die mit Hilfe der Selbstorganisation vorbestimmte Strukturen und Materialien herstellen. Deutlich realer sind Forschungen an Kunststoffmolekülen, deren Enden man chemisch reaktiv macht. So vorbereitet ordnen sie sich von selbst zu regelmäßigen Gittern an. Nanofeine Drähte können entstehen.