Alles NANO - oder was? E-Book

Gerd Ganteför

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Wissenschaft und neue Technologien
• Serie: Erlebnis Wissenschaft
• Sprache: Deutsch
• Veröffentlichungsjahr: 2013

Seitenzahl: 348

Beschreibung

Die Perfektion der Mücke oder ein Reiseführer in die NANO-Welt Alles NANO, oder was? Das fragen sich immer mehr Menschen. Die Computer werden intelligenter, die Handys kleiner. Die Nanotechnologie bietet schon heute beachtliche Anwendungen. Noch mehr allerdings faszinieren die Möglichkeiten, die in der Zukunft liegen, zum Beispiel in der Medizin. Können spezielle Nanopartikel tatsächlich bald gezielt Krebszellen attackieren? Zeit für eine Bestandsaufnahme: Was ist Nanotechnologie? Wo kommt sie bereits zum Einsatz? Was kann sie in Zukunft leisten? Und welche Gefahren sind mit ihr verbunden? All diese Fragen beantwortet Gert Ganteför, im richtigen Leben Physikprofessor, in diesem dem Buch. Beste NANO-Lehrmeisterin: die Natur Die Natur ist dabei der reizvolle Ausgangspunkt des Buches, denn sie ist »die wahre Meisterin der Nanotechnologie«, wie Ganteför betont. Naheliegend dass der Autor zunächst einmal die Gesetze erklärt, die in der Welt der Moleküle, Atome und Quanten herrschen. Dringt man zum Beispiel in den Bereich von unter 100 Nanometern vor - zum Vergleich: Blutkörperchen sind zehnmal größer - spielen die Naturgesetze verrückt. Elektronen fliegen durch Barrieren, Teilchen können an mehreren Orten gleichzeitig sein und auch das Licht verlässt seine Bahnen. Der Mensch beginnt gerade erst zu verstehen, welche Chancen und Risiken dieser noch unerforschte Bereich bereithält. Dieses Buch ist der unverzichtbare Reiseführer in die Welt der Nanotechnologie - verständlich, unterhaltsam, spannend.

Leseprobe

Inhalt

Danksagung

Vorwort

1 Einleitung

1.1 Eine Mücke ist Nanotechnologie

1.2 Was ist Nano?

1.3 Milli-Mikro-Nano

1.4 Es gibt viel Platz nach unten

1.5 Bottom-up und top-down

1.6 Die seltsamen Naturgesetze der Nanowelt

1.7 Nanotechnologie heute

1.8 Gefahren

1.9 Medizinische Anwendungen

1.10 Zukunftsvisionen

2 Die Geschichte

2.1 Die Idee einer kontinuierlichen Entwicklung

2.2 Die Steinzeit

2.3 Ägypter und Römer

2.4 Das Mittelalter

2.5 Die industrielle Revolution

2.6 Mikrotechnologie

2.7 Nanotechnologie

2.8 Die historische Entwicklung im Überblick

3 Die Natur

3.1 Kopfüber an der Decke umhergehen

3.2 Selbstreinigende Oberflächen

3.3 Alle Lebewesen bestehen aus Zellen

3.4 Ein Blick in das Innere der Zelle

3.5 Die Zelle als Nanofabrik

3.6 Der Vorsprung der Natur

3.7 Der Mensch baut top-down, die Natur bottom-up

3.8 Die Bausteine der Zelle

3.9 Die Zellwand

3.10 Das Zellgerüst

3.11 Proteine

3.12 Die Erbsubstanz

3.13 Die Synthese von Proteinen

3.14 Wie eine Zelle Nanomaschinen baut

3.15 Was ist Leben?

3.16 Gefährliche Nanomaschinen: Viren

4 Die Gesetze

4.1 Was ist ein Atom?

4.2 Das Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnis

4.3 Die Temperatur

4.4 Die Nanowelt der Quanten

4.5 Teilchen und Wellen

4.6 Was ist Licht?

4.7 Teilchen sind Wellen

4.8 Reale Science Fiction: Wahrscheinlichkeitswellen

4.9 Der Tunneleffekt

4.10 Die Unschärferelation

4.11 Neue Eigenschaften in der Nanowelt

4.12 Wellen sind Teilchen

5 Werkzeuge

5.1 Das Lichtmikroskop

5.2 Das Elektronenmikroskop

5.3 Das Rastertunnelmikroskop

5.4 Die Geschichte der Photolithographie

5.5 Fertigung von Bauelementen mit Photolithographie

5.6 Der Waferstepper

5.7 Elektronenstrahl-Lithographie

5.8 Materialbearbeitung mit Ionenstrahlen

6 Nanopartikel

6.1 Die Herstellung von Nanopartikeln

6.2 Neue Materialien

6.3 Feinstaub

6.4 Sulfat-Aerosole

6.5 Kolloide

6.6 Cluster: Neue Eigenschaften im 1-Nanometer-Bereich

6.7 Drei Ursachen für neue Eigenschaften

6.8 Neue Eigenschaften: 1. Die geometrische Struktur

6.9 Fullerene

6.10 Nanotubes

6.11 Neue Eigenschaften: 2. Reaktive Oberflächenatome

6.12 Neue Eigenschaften: 3. Quanteneffekte

6.13 Magische Zahlen

7 Anwendungen

7.1 Nanopartikel in Verbundmaterialien

7.2 Nanoton in PET-Flaschen

7.3 Sonnencremes mit hohen Schutzfaktoren

7.4 Antibakterielle Silber-Nanopartikel

7.5 Selbstreinigende Oberflächen

7.6 Superkondensatoren

7.7 Fasern aus Kohlenstoff-Nanotubes

7.8 Nanosiebe

7.9 Krebstherapie

7.10 Drug-Delivery

7.11 Molekulare Elektronik

8 Computer

8.1 Digitalisierung

8.2 Der Grundbaustein eines Computers

8.3 Die gute alte Zeit: Analoge Datenverarbeitung

8.4 Analog-Digital-Wandler

8.5 Digital-Analog-Wandler

8.6 Speichermedien: CD, Festplatte und USB-Stick

8.7 Die Datenauswertung

8.8 Wie real ist Feynmans Vision heute?

8.9 Vergleich Computer – Gehirn

8.10 Das Mooresche Gesetz

8.11 Was kommt als Nächstes?

8.12 Was können Computer?

9 Gefahren

9.1 Unrealistische Gefahren

9.2 Reale Gefahren

9.3 Konventionelle Schadstoffe

9.4 Risikoabschätzung

9.5 Eintrittspforten in den Körper

9.6 Die Lunge

9.7 Ein neues Fachgebiet: Nanotoxikologie

9.8 Untersuchungsmethoden

9.9 Die Pionierzeit der Nanotoxikologie

9.10 Der Stand des Wissen: Eine Übersicht

9.11 Siliziumdioxid

9.12 Titandioxid

9.13 Zinkoxid

9.14 Aluminiumoxid

9.15 Silber

9.16 Gold

9.17 Industrieruß (Carbon Black)

9.18 Fullerene

9.19 Kohlenstoff-Nanotubes

9.20 Zusammenfassung

10 Visionen

10.1 Produktivität und Ressourcen

10.2 Medizin

10.3 Computer

10.4 Militärische Nanovisionen

10.5 Die technologische Singularität

10.6 Nanoassembler

10.7 Klimakontrolle

11 Zusammenfassung

12 Referenzen

Sachverzeichnis

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Synwoldt, C.

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Clevere Lösungen für die Energiezukunft

2013

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Jule und der Schrecken der Chemie

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Schwedt, G.

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Ohne Kunststoffe geht es nicht

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Böddeker, K.W.

Denkbar, machbar, wünschenswert?

Wie Technik und Kultur die Welt verändern

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Ganteför, G.

Klima – Der Weltuntergang findet

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2012

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Booker, R.D., Boysen, E.

Nanotechnologie für Dummies

2006

ISBN: 978-3-527-70299-2

Autor

Prof. Gerd Ganteför

Universität Konstanz

FB Physik

Universitätsstr. 10

78457 Konstanz

Bildnachweis

Das Umschlagbild wurde aus Bildern von Fotolia erstellt.

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Umschlaggestaltung Simone Benjamin

Satz inmedialo

Digital- und Printmedien UG, Plankstadt

Druck und Bindung Ebner & Spiegel GmbH, Ulm

Print ISBN: 978-3-527-32961-8

ePDF ISBN: 978-3-527-65087-3

ePub ISBN: 978-3-527-65086-6

Mobi ISBN: 978-3-527-65085-9

Der Autor

© Stephan Wagner, mit freundlicher Unterstützung des Deutschen Museums in München

Gerd Ganteför ist Physikprofessor an der Universität Konstanz. Er forscht im Bereich Clusterphysik und Nanotechnologie. Weiterhin ist er Research Professor im Department of Chemistry an der Johns Hopkins University in Baltimore, USA. In Konstanz hat er erfolgreiche Vorlesungen über Nanotechnologie sowie über Energie und Klima aufgebaut. Er ist Autor zahlreicher Fachartikel und hält öffentliche Vorträge zu vielfältigen Themen, insbesondere zur Energie- und Klimaproblematik und zu Chancen und Gefahren der Nanotechnologie. In der Reihe Erlebnis Wissenschaft erschien 2010 sein Buch »Klima – der Weltuntergang findet nicht statt«.

Danksagung

Das Buch konnte ich nur schreiben, weil die sehr guten Arbeitsbedingungen an der Universität Konstanz es erlaubt haben und meine Kollegen mir die Zeit dazu eingeräumt haben. Daher möchte ich dem Fachbereich Physik und der Universität Konstanz als Ganzes dafür danken. Aber die wichtigste Person, die dieses Buch ermöglicht hat, ist meine Frau. Alle Kapitel gingen durch ihre Endkontrolle und mussten lesbar, interessant und verständlich sein. Einige Kapitel musste ich ein zweites Mal schreiben, um diese Hürde zu nehmen.

Vorwort

Das Buch richtet sich an Schüler, Studenten, Lehrer, Politiker und interessierte Bürger, die sich über das Thema »Nanotechnologie« informieren wollen. Es soll Fragen wie »Was ist Nanotechnologie?«, »Wo wird Nanotechnologie heute angewendet?«, »Was kommt in der Zukunft auf uns zu?« und »Was sind die Gefahren dieser neuen Technologie?« beantworten.

Die Nanotechnologie ist tief in den Naturwissenschaften verwurzelt. Auf Formeln habe ich zwar gänzlich verzichtet, aber einige Aspekte der Nanotechnologie sind – vorsichtig formuliert – fremdartig und unverständlich. Trotzdem habe ich versucht, dem Leser einen Eindruck von der Nanowelt zu vermitteln. Das Buch ist ein Balanceakt zwischen der Vermittlung vonWissen und dem Verstehen auf der einen Seite und einer leichten Lesbarkeit für naturwissenschaftliche Laien auf der anderen Seite. Jedes Kapitel beginnt mit verständlichen und manchmal unterhaltsamen Aspekten und führt den Leser dann immer tiefer in die jeweilige Thematik ein. Je nach Interessenslage genügt es dem Leser vielleicht, nur die erste Hälfte eines Kapitels zu lesen, um die wichtigsten Aussagen zu erfassen.

Die Kapitel bauen nicht aufeinander auf. Für Leser, die sich zum Beispiel nur über die heutigen Anwendungen oder über mögliche Gefahren informieren wollen, genügt es, die betreffenden Kapitel zu lesen.

Konstanz, Mai 2013

Gerd Ganteför

1

Einleitung

1.1 Eine Mücke ist Nanotechnologie

Sicher haben Sie schon einmal eine Mücke erschlagen, die sich Ihnen in unmissverständlicher Absicht näherte. Und Sie haben die Befriedigung erlebt, eine verwerfliche Tat, nämlich das Blutsaugen, verhindert zu haben. Aber kann man der Mücke wirklich »Bösartigkeit« unterstellen? Sie handelt nicht mit der Absicht, Sie zu quälen, sondern füllt nur ihre ökologische Nische in unserem Lebensraum aus. Was aber auf alle Fälle bleibt, ist das Gefühl, als Mensch dem einfachen Wesen »Mücke« überlegen zu sein. Bei genauerem Hinsehen stellt sich jedoch heraus, dass dieses scheinbar so unbestreitbare Gefühl der Überlegenheit auf tönernen Füßen steht. Eine Mücke (Abb. 1.1) ist vom technischen Standpunkt aus gesehen eine Maschine, deren Bau und Funktion weit jenseits dessen liegt, was Menschen erschaffen können. Auch mit fortschrittlichster Elektronik und Ultrafeinmechanik können Menschen keine künstlichen Mücken bauen. Eine Mücke wiegt ein Tausendstel eines Gramms. Gibt es so leichte, von Menschen gebaute Maschinen? Nein. Aber selbst wenn der Mensch eine solche Maschine bauen könnte, könnte sie dann auch fliegen? Hätte diese Maschine Augen? Könnte sie sich selbst ernähren? Nein. Und das, obwohl eine künstliche Mücke für das Militär unbezahlbar wäre. Denn eine solche Maschine könnte unbemerkt hinter die feindlichen Linien dringen, Gespräche abhören oder Unterlagen kopieren. Und sie bräuchte nicht zurückzukehren, denn sie kann sich selbst auftanken. Aber so etwas gibt es nicht. Noch nicht? Oder wird es niemals künstliche Mücken geben?

Das ist das Thema dieses Buches: Wie weit ist die Menschheit davon entfernt, winzige Maschinen von der Leistungsfähigkeit künstlicher Mücken zu bauen? Und wie sähe die Welt aus, wenn das irgendwann einmal möglich sein sollte?

Abbildung 1.1: Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Mücke. © Janice Carr [1]

Betrachtet man eine Mücke rein technisch, also als biologische »Maschine«, so ist sie ein Produkt hochentwickelter Nanotechnologie. Natürlich sind Pflanzen und Tiere lebendig und unterscheiden sich grundsätzlich von Maschinen. Aber wenn man diesen Unterschied einmal außer Acht lässt, ist eine Mücke ist ein hochkomplexer Mechanismus, der viele Funktionen einschließlich der eigenen Wartung, Reparatur und Reproduktion ausführen kann und nur ein Milligramm wiegt. Mücken bestehen wie alle Pflanzen und Tiere aus Zellen. In den Zellen, den Nanofabriken der Natur, erfüllen Proteine, also große Moleküle, vielfältige Funktionen und sie ähneln auf gewisse Weise den Maschinen aus der uns bekannten makroskopischen Welt. Im Zellkern befindet sich der Bauplan eines Lebewesens in Form der Erbsubstanz. Diese Erbsubstanz besteht aus sehr langen Molekülen, auf denen wie auf einem Magnetband der Bauplan als langer »Text« aufgeschrieben ist. Diese langen »Bücher« des Lebens nennt man Chromosomen. Sie haben einen Durchmesser von einem Nanometer und eine Länge von einigen Millimetern. Eine menschliche Zelle hat 46 solcher Fäden mit einer Gesamtlänge von knapp 2 Metern. Damit diese Moleküle in einen Zellkern passen, der nur einen Hundertstel Millimeter groß ist, muss der Faden aufgewickelt werden. Ab und zu muss die Zelle bestimmte Stellen des Fadens »lesen«, und dann beginnt ein komplizierter Prozess. Zunächst wird die gewünschte Information vom Chromosom auf ein kürzeres Molekül (die RNA) umkopiert und aus dem Zellkern heraustransportiert. Dann wird die Information von einem »Lesekopf«, dem Ribosom (), ausgelesen. Das ist ein großes Protein, das an dem Faden entlang gleitet.