Nanotechnologie für Dummies E-Book

Richard D. Booker

• Herausgeber: Wiley-VCH
• Kategorie: Fachliteratur
• Serie: ...für Dummies
• Sprache: Deutsch

Seitenzahl: 389

Veröffentlichungsjahr: 2015

Beschreibung

Ob in der Chemie, Physik, Biologie, Medizin, Pharmazie oder den Materialwissenschaften: Die Nanotechnologie ist überall vertreten und gilt als Forschungsfeld der Zukunft. Schon heute verstecken sich in unserem Alltag viele nanotechnologische Anwendungen und ihre Zahl wächst ständig. Dank »Nanotechnologie für Dummies« erfahren Sie, wie Nanomaterialien erforscht und genutzt werden, welche Anwendungen in Zukunft möglich sein könnten und wie sogar die Umwelt von der Nanotechnologie profitieren kann. Die Autoren erläutern dabei alles leicht verständlich und lassen auch mögliche Risiken nicht außen vor. So lernen Sie alles, was Sie über dieses Trendthema wissen sollten.

Leseprobe

Bibliografische Information der Deutschen Nationalbibliothek

Die Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie; detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.d-nb.de abrufbar.

1. Auflage 2016

© 2016 WILEY-VCH Verlag GmbH % Co. KGaA, Weinheim Original English language edition Nanotechnology for Dummies © 2011 by Wiley Publishing, Inc.

All rights reserved including the right of reproduction in whole or in part in any form.

This translation published by arrangement with John Wiley and Sons, Inc.

Copyright der englischsprachigen Originalausgabe Nanotechnology for Dummies © 2011 by Wiley Publishing, Inc.

Alle Rechte vorbehalten inklusive des Rechtes auf Reproduktion im Ganzen oder in Teilen und in jeglicher Form. Diese Übersetzung wird mit Genehmigung von John Wiley and Sons, Inc. publiziert.

Wiley, the Wiley logo, Für Dummies, the Dummies Man logo, and related trademarks and trade dress are trademarks or registered trademarks of John Wiley % Sons, Inc. and/or its affiliates, in the United States and other countries. Used by permission.

Wiley, die Bezeichnung »Für Dummies«, das Dummies-Mann-Logo und darauf bezogene Gestaltungen sind Marken oder eingetragene Marken von John Wiley % Sons, Inc., USA, Deutschland und in anderen Ländern.

Das vorliegende Werk wurde sorgfältig erarbeitet. Dennoch übernehmen Autoren und Verlag für die Richtigkeit von Angaben, Hinweisen und Ratschlägen sowie eventuelle Druckfehler keine Haftung.

Coverfoto: © ag visuell – Fotolia.comKorrektur: Petra Heubach-Erdmann, DüsseldorfSatz: inmedialo Digital- und Printmedien UG, Plankstadt

Print ISBN: 978-3-527-71146-8ePub ISBN: 978-3-527-80189-3mobi ISBN: 978-3-527-80190-9

Widmung

Für Nettie Boysen, Earls Mutter, für die Liebe und Unterstützung, die ihm halfen, seine Träume zu verwirklichen.

Über die Autoren

Earl Boysen verbrachte 20 Jahre als Ingenieur in der Halbleiterindustrie und unterhält zwei Webseiten, UnderstandingNano.com und BuildingGadgets.com. Earl Boysen besitzt einen Master in Physikingenieurwesen von der Univesity of Virginia. Er war Mitautor der ersten Auflage von Nanotechnologie für Dummies und Elektronik für Dummies. Er hat außerdem das Buch The All New Electronics Self-Study Guide von Wiley Publishing mitverfasst.

Nancy Boysen ist Autorin von mehr als 60 Büchern über technologische Themen (unter dem Namen Nancy Muir) einschließlich der Bücher Microsoft Project 2013 für Dummies und iPad All-In-One for Dummies. Außerdem hat sie zu dem College-Lehrbuch Our Digital World von Paradigm Publishing beigetragen. Sie ist die leitende Redakteurin von Understanding Nano.com und unterhält zwei weitere Webseiten, TechSmartSenior.com und iPadMade Clear.com.

Danksagung der Autoren

Die Autoren möchten Katie Feldman danken, die sie zum Schreiben dieser Auflage von Nanotechnologie für Dummies eingestellt hat. Dank geht auch an Susan Pink, die das Buch als Projektleiterin betreut hat, und an Lisa Reece für ihre hervorragende technische Bearbeitung. Wir wollen auch unsere Dankbarkeit für die Kollegen in der Welt der Nanotechnologie zum Ausdruck bringen, die uns erlaubt haben, ihre Illustrationen in dem Buch zu verwenden, und die ihre Fachkenntnisse während unserer Forschung großzügig mit uns geteilt haben. Schließlich danken wir Desiree Dudly und Christine Petersen vom Foresight Institute herzlich dafür, dass sie mit dem Vorwort zum Buch beigetragen haben.

Über die Übersetzer

Dr. Regine Freudenstein studierte Physik in Göttingen, Hannover und Kassel. Sie promovierte mit einer Arbeit über nanokristalline Schichten aus superhartem kubischem, Bornitrid am Institut für Nanosystemtechnologie und Analytik der Universität Kassel; ihr Spezialgebiet ist die Abscheidung, Charakterisierung und Anwendung von Nano-Schichten mit herausragenden mechanischen Eigenschaften.

Dr. Wilhelm Kulisch ist Privatdozent für Experimentalphysik an der Universität Kassel. Er studierte Physik in Münster und Kassel und arbeitete lange am Institut für Nanostrukturtechnologie und Analytik in Kassel im Bereich der Dünnschichttechnologie. Er arbeitete unter anderem an Nanoschichten für Computerchips, nanokristallinen superharten Materialien, Schichten mit molekularem Design sowie Nano-Beschichtungen für künstliche Gelenke. Derzeit ist er an Nanodiamant und Kohlenstoff-Nanoröhrchen für biomedizinische Anwendungen interessiert. Er ist Autor einer Reihe von ... für Dummies-Büchern.

Inhaltsverzeichnis

Widmung

Über die Autoren

Danksagung der Autoren

Über die Übersetzer

Einleitung

Über dieses Buch

Törichte Annahmen

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Teil I: Grundlagen der Nanotechnologie

Teil II: Anwendungen der Nanotechnologie

Teil III: Die Nanotechnologie und die Menschen

Teil IV: Der Top-Ten-Teil

Glossar

In diesem Buch verwendete Symbole

Wie es weitergeht

Teil I Grundlagen der Nanotechnologie

1 Einführung in die Konzepte der Nanotechnologie

Was ist überhaupt Nanotechnologie?

Eine genaue Definition geben

Vor der Nanotechnologie war das Atom

Sich der Nanotechnologie von oben und unten nähern

Verstehen, wie die Nanotechnologie die Dinge verändert

Reaktionen mit anderen Elementen

Die Farbe ändern/Veränderliche Farbe

Bei niedrigeren Temperaturen schmelzen/Niedriger Schmelzpunkt

Nano ist überall

Nanotechnologie in unterschiedlichen Feldern

Tipps von Arbeitsgruppen

2 Wer macht was?

Die Entwicklung der Nanotechnologie verstehen

Die Zeitachse betrachten

Augen auf im Nanometerbereich

Die Einführung der Nanophysik in die Welt: Richard Feynmans Rolle

Die Rolle des Rastertunnelmikroskops

Buckyballs verfolgen

Daumen hoch für »Bottom-up-Methode«

Die Entdeckung der Nanoröhrchen

Die Rolle der Behörden und Ministerien

Das derzeitige Feld der Nanotechnologie

Staatliche Unterstützung

Der Gesundheitsbereich

Geld verdienen: Die Rolle von Firmen bei der Entwicklung der Nanotechnologie

Die Arbeitskräfte ausbilden

Die internationale Entwicklung in der Nanotechnologie

Den heutigen Stand und den zukünftigen Weg der Nanotechnologie verstehen

Heutige Produkte der Nanotechnologie

Produkte und Verfahren, die noch in der Entwicklung sind

Luftschlösser bauen

3 Grundbausteine: Nanomaterialien

Materialien auf Kohlenstoffbasis

Buckyballs

Kohlenstoff-Nanoröhrchen

Graphen

Diamantoide: Diamantartige Materialien

Auf dem zweiten Platz: Nanopartikel ohne Kohlenstoff

Eisen und Eisenoxid

Platin

Gold

Siliziumdioxid

Silber

Nanopartikel aus Titandioxid

Silizium

Palladium

Neodym

Bor

Bornitrid

Die Suche nach Nanopartikeln

4 Geräte zum Arbeiten mit Nanopartikeln

Objekte im Nanometermaßstab betrachten

Elektronenmikroskop

Rasterkraftmikroskopie (AFM)

Molekulare Fingerabdrücke in der optischen Spektroskopie

Atome und Moleküle beeinflussen

Atome mit dem Rastertunnelmikroskop bewegen

Molekül-Zusammenbauer

Nanoroboter

Herstellung von Computerchipbestandteilen im Nanometermaßstab

Mit der Nanolithografie Strukturen schreiben

Strukturen für Forscher schreiben: Die Dip-pen-Nanotechnologie

Elektronenstrahllithografie

Systeme zur Erzeugung von Nanopartikeln

5 Die Nanotechnologie an die Arbeit schicken

Die Größe von Dingen ändern

Den Oberflächenbereich maximieren

Verringerung der Größe von Poren in Materialien

Materialeigenschaften verändern

Die Grundlagen der Funktionalisierung

Nanoverbundwerkstoffe herstellen

Anpassung der Struktur von Beschichtungen und dünnen Filmen

Selbstorganisierende Anordnung: Nanopartikel, die ihre eigenen Anordnungen einnehmen

Mechanosynthese

NEMS verwenden, um mit Apparaten im Nanometermaßstab zu arbeiten

Nanopartikel in Materialien einbauen

Nanoröhrchen in Drähte und Kabel verspinnen

Nanopartikel in Fasern einarbeiten

Teil II Anwendungen der Nanotechnologie

6 Elektronik im Nanometermaßstab

Mit Computerchips arbeiten

Kleinere Chips herstellen

Dinge mit FETs schalten

Transistoren aneinanderreihen

Speicherkapazitäten verbessern

Speichern mit einem Flash

Speicherelemente mit Memristoren bauen

Nickel einsetzen

Siliziumdioxid-Sandwiches verwenden

Magnetisierend

Verbindungen durch Licht herstellen

Displays verbessern

Nanodrähte in organischen Leuchtdioden verwenden

Displays biegsam machen

Den Leistungsverbrauch von Bildschirmen senken

Die Emissionen von Kohlenstoff-Nanoröhrchen verwenden

Die Vorteile von Quantenpunkten ausnutzen

Alle Arten von Dingen mit Nanosensoren aufspüren

Das Potenzial von Nanosensoren gründlich betrachten

Wie Nanosensoren das machen, was sie machen

NEMS

7 Nanotechnologie in Ihrem Haus und Ihrem Auto

Festere Baustoffe herstellen

Fenster isolieren

Herstellung dünnerer Wände, die die Wärme halten

Versorgung des Hauses mit günstigen Solarzellen

Hausverkleidungen mit Schichten im Nanometerbereich schützen

Wände keimfrei halten

Fliesen legen mit einem selbstnivellierenden Nanowerkstoff

Beton mit Kohlenstoff-Nanoröhrchen dauerhafter machen

Glänzende Ideen: Nanotechnologie und Elektronik

Reinigen mit der Nanotechnologie

Die Verwendung der Nanotechnologie in Autos

Ihr Auto durch die Sonne aufladen

Elektroautos und Hybridfahrzeuge mit Energie versorgen

Die Möglichkeiten von Wasserstoffbrennstoffzellen begreifen

Die Lackierung glänzend erhalten

Die Fensterscheiben von Autos behandeln

Die Reifen überprüfen

Autos mit einem geringeren Gewicht herstellen

8 Nanotechnologie in Ihrem persönlichen Leben

Schnittigere Sportartikel

Tennisbälle sprunghafter machen

Leichtgewichtige und leistungsfähige Schläger herstellen

Auf zum Golf

... und mehr

Verbesserte Stoffe herstellen

Stoffe widerstandsfähig gegenüber Wasser und Schmutz machen

Stoffe herstellen, die Elektrizität erzeugen oder speichern

Wärmende Kleidung

Dank der Kleidung besser riechen

Stoffe mit einzigartiger Passform herstellen

Zum Nachtisch: Nahrungsmittel verbessern

Wie geht die Nahrungsmittelindustrie mit der Nanotechnologie um?

Nanomaterialien in der Verpackung von Lebensmitteln

Verunreinigungen entdecken

Die Eigenschaften von Nahrungsmitteln mit der Nanotechnologie ändern

Nanotechnologie beim Anbau von Lebensmitteln

Hautpflege, die Sie jung erhält

Vitamine und Nährstoffe für einen jugendlichen Schimmer

Der Jungbrunnen: Anti-Aging-Produkte

Sonnenmilch ohne das klebrige weiße Zeug herstellen

9 Den Umgang mit Medizin ändern

Keine Labortests erforderlich: Die Diagnose von Krankheiten in der Arztpraxis

Sensoren auf der Grundlage von Nanodrähten

Funktionalisierte Quantenpunkte zum Erkennen von Krankheiten

Mit funktionalisierten Nanopartikeln aus Eisenoxid den Schuldigen erkennen

Die medizinische Bildgebung verbessern

MRT mit Eisenoxid-Nanopartikeln

Mit Quantenpunkten aus Silizium zur Fluoreszenz gelangen

Medikamente effizienter verabreichen

Die Membranen von Zellen überwinden

Die richtige Stelle anpeilen

Nanopartikel und Mulitasking

Die tägliche Dosis überflüssig machen

Die Grippe stoppen

An der Hautoberfläche

Behandlungen

Mit Wärme erkrankte Zellen zerstören

Infektionen antimikrobiell behandeln

Etwas unternehmen, wenn sich unser Immunsystem gegen uns wendet

Die DNA auf die Reihe bringen

Die Verwendung von Nanorobotern

10 Mit der Nanotechnologie Energie sparen

Die großen Drei der Energietechnik: Erzeugung, Verteilung und Speicherung

Energie kostengünstiger erzeugen

Solarzellen aufmotzen

Brennstoffzellen mit der Nanotechnologie anfeuern

Die Verteilung der Energie verbessern

Drähte zum Singen bringen

Energie effizienter speichern

Die Arbeitsweise von Batterien verstehen

Elektronen mit Superkondensatoren speichern

Andere Energieformen

11 Die Umwelt verbessern

Die Luft reinigen

Reinigung der Luft mit Nanomaterialien

Kohlendioxid durch Nanotechnologie einfangen

Kohlendioxid in etwas Nützliches verwandeln

Durch Nanopartikel die globale Erwärmung in den Griff bekommen

Autos sauberer machen

Die Luft im Inneren des Hauses reinigen

Wasser reinigen

Das Problem verstehen

Verunreinigtes Grundwasser mit der Nanotechnologie reinigen

Ölteppiche beseitigen

Salzwasser trinkbar machen

Bakterien aus dem Trinkwasser entfernen

12 Star Wars: Die Nanotechnologie in der Raumfahrt und bei der Verteidigung

Weltraum: Am Rande des Universums

Die Raumfahrt durch leichtgewichtige Raumschiffe ankurbeln

Mit dem Weltraumlift aufsteigen

Selbstreparierende Raumanzüge

Mit Nanosensoren Astronauten gesund erhalten

Wasser (und mehr) auf anderen Planeten finden

Gehende Sensoren

Mit leichtgewichtigen Sonnensegeln durch den Weltraum segeln

Kleinere Raketen für Raumschiffe bauen

Die Nanotechnologie zur Verteidigung einziehen

Unsere Truppen mit Körperpanzern schmücken

Eine größere Effizienz durch Verformung

Noch mehr Energie speichern

Gefährliche Wirkstoffe erkennen

Seeleuten helfen, die Schraube am Schwirren zu halten

Leichtgewichtige, tragbare Energie erzeugen

Kugelsicheres Material biegsamer machen

Teil III Die Nanotechnologie und die Menschen

13 Nanotechnologie: Aspekte der Ethik, Sicherheit und Regulierung

Ethische Dilemmas ansprechen

Für immer leben

Güter aus dem Nichts erzeugen

Die richtige Wahl treffen

Organisationen, die sich mit Nanoethik beschäftigen

Sicherheitsfragen in den Griff bekommen

Beispiele für Sicherheitsfragen betrachten

Ein Überblick über Sicherheitsprogramme im Bezug auf die Nanotechnologie

Die behördliche Landschaft untersuchen

Die Notwendigkeit von Vorschriften verstehen

Ein Regelwerk für den Umgang mit der Nanotechnologie

In die Privatwirtschaft wechseln

14 Ausbildung und Karriere in der Nanotechnologie

Eine Ausbildung auf dem Gebiet der Nanotechnologie erhalten

Welcher Studiengang ist der richtige für Sie?

Welchen Abschluss können Sie dort machen, wohin Sie gehen wollen?

Duales Studium

Der Studiengang Nanowissenschaften an Universitäten

Eine Karriere in der Nanotechnologie planen

Wo liegt der Bedarf?

Karrieremöglichkeiten ausführlich betrachten

Wie viel können Sie verdienen?

Die Wünsche der Arbeitgeber verstehen

Verzweifelt gesucht: Ratschläge für Arbeitgeber

Teil IV Der Top-Ten-Teil

15 Zehn Webseiten, um die Nanotechnologie besser zu verstehen

UnderstandingNano

nanoTruck

DaNa 2.0

Foresight Institute

Zwerge erobern die Welt

Deutscher Verband Nanotechnologie

Wissenschaft aktuell

Swiss Nano Cube

nanospots

Nanothriller

16 Nanowissenschaften studieren

Universität Kassel – Nanostrukturwissenschaften

Universität Karlsruhe – Nanoelektronik

Technische Universität Ilmenau – Mikro- und Nanotechnologie

Technische Universität Braunschweig – Nano-Systems-Engineering

Universität Hamburg – Nanowissenschaften

Universität des Saarlandes – Mikrotechnologie und Nanostrukturen

Technische Universität Chemnitz – Micro and Nano Systems

Universität Bayreuth – Polymer- und Kolloidchemie

Leibniz Universität Hannover – Nanotechnologie

Technische Universität Kaiserslautern – Nanotechnologie und Nanobiotechnologie

17 Zehn interessante Nanotechnologie-Forschungseinrichtungen

Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme (ENAS)

Leistungszentrum Nachhaltigkeit Freiburg

Max-Planck-Institut für Mikrostrukturphysik

Das Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf (HZDR)

Joint Research Centre (JRC)

London Centre of Nanotechnology (LCN)

Forschungseinrichtungen bei Hewlett-Packard (HP)

ARC Centre of Excellence for Functional Nanomaterials (ARCCFN)

Cornell NanoScale Science & Technology Facility (CNF)

Center for the Environmental Implications of Nanotechnology (CEINT)

Glossar

Stichwortverzeichnis

Einleitung

Wenn Sie einer der vielen sind, die Schlagzeilen über die Nanotechnologie und die unglaublichen Dinge gelesen haben, die sie in unserer Welt ermöglicht, haben Sie dieses Buch wahrscheinlich gekauft, um herauszufinden, ob sie diese Aufregung wirklich verdient. Die Nanotechnologie wird sowohl als Heiliger Gral der Wissenschaften bezeichnet, der alle Krankheiten heilen kann, als auch als gefährliche Veränderung von Materie, die das Ende unserer Welt bedeuten könnte. Was also ist die Nanotechnologie und was könnte sie bewirken?

Die 2. Auflage von Nanotechnologie für Dummies hilft Ihnen, gute Grundkenntnisse in der Geschichte, den Konzepten und den Anwendungen der Nanotechnologie zu erwerben, wobei sich etwas von dem Wirbel klärt. Wenn Sie sich durch die Kapitel arbeiten, werden Sie einige faszinierende Informationen über die Nanotechnologie in der Vergangenheit, Gegenwart und Zukunft entdecken.

Über dieses Buch

Die Nanotechnologie ist wahrscheinlich das derzeit vielversprechendste Gebiet der Naturwissenschaften. Sie stellt Möglichkeiten zur Reinigung der Luft, von kostengünstiger Energie und einem längeren Leben in Aussicht. In der Tat wird die Nanotechnologie heutzutage in fast jedem Industriezweig verwendet oder ihre Verwendung in Erwägung gezogen. Darüber hinaus haben die meisten Länder ein bestimmtes Niveau bei der Forschung und Entwicklung auf dem Gebiet der Nanotechnologie.

Obwohl die Nanotechnologie ein sehr komplexes Thema sein kann, haben wir uns bemüht, Ihnen einen guten Überblick über die vielen Aspekte zu geben, ohne Sie dabei mit Fachbegriffen und technischen Einzelaspekten abzulenken. Wir erklären nicht nur die Konzepte, auf denen die Nanotechnologie beruht, sondern auch, welche Auswirkungen sie im Alltag haben kann. Wir werfen darüber hinaus einige flüchtige Blicke in die Zukunft, um Sie über all die Dinge zu informieren, die die Nanotechnologie in Zukunft ermöglichen könnte.

Wenn Sie die Nanotechnologie unter dem Gesichtspunkt einer Berufslaufbahn, einer Anlagemöglichkeit, eines naturwissenschaftlichen Studiengebiets betrachten oder auch einfach nur neugierig sind, wird dieses Buch Ihnen Antworten bieten.

Da die Nanotechnologie ein sich schnell veränderndes Gebiet ist, beachten Sie, dass wir für unsere Leser aktualisierte Informationen auf unserer englischsprachigen Webseite unter www.UnderstandingNano.com anbieten.

Törichte Annahmen

Beim Schreiben dieses Buches haben wir angenommen, dass Sie zumindest ein, wenn auch nur vorübergehendes Interesse, an Naturwissenschaften haben, aber wir gehen nicht davon aus, dass Sie Naturwissenschaftler sind. Wir haben daher versucht, die Dinge einfach auszudrücken und technische Ausdrücke zu erläutern, wenn sie das erste Mal auftreten; sie sind zudem im Glossar aufgeführt.

Wir haben darüber hinaus angenommen, dass die meisten von Ihnen Zugang zum Internet haben, daher geben wir im gesamten Buch Adressen von Webseiten an, die Sie besuchen können, wenn Sie mehr oder aktuellere Informationen erhalten möchten. Für den Fall, dass Sie die Adressen nicht eingeben wollen, haben wir auf unserer englischsprachigen Webseite www.UnderstandingNano.com/nanotechnology-links.html die entsprechenden Seiten verlinkt.

Schließlich sind wir davon ausgegangen, dass Sie sofort zu den für Sie wissenswerten Informationen gelangen wollen, daher haben wir das Buch so geschrieben, dass es nicht erforderlich ist, es in einer bestimmten Reihenfolge zu lesen. Fangen Sie an, wo auch immer Sie mögen!

Wie dieses Buch aufgebaut ist

Dieses Buch ist zur leichteren Handhabung in verschiedene handliche Teile aufgeteilt, um Ihnen zu helfen, die benötigten Informationen zu finden.

Teil I: Grundlagen der Nanotechnologie

Die Kapitel in Teil I führen Sie in die Nanotechnologie ein: was sie ist, woher sie kommt und welche Personen die Schlüsselentdeckungen zur Verbesserung der Naturwissenschaften machten. Darüber hinaus haben wir Kapitel über Nanomaterialien, Methoden zur Beeinflussung dieser Materialien und Instrumente eingefügt, die jeder Nanotechnologe in seiner Werkzeugkiste haben sollte.

Teil II: Anwendungen der Nanotechnologie

Die Nanotechnologie ist eine Naturwissenschaft, deren Anwendungen in nahezu allen Bereichen des Lebens eine Rolle spielen; das reicht vom Gesundheitswesen über die Fabrikation und die Raumfahrt bis zur Verbesserung der Umwelt. In Teil II erklären wir, woran in verschiedenen Industrien und Einrichtungen gearbeitet und entwickelt wird oder was man sich auch nur vorstellt.

Teil III: Die Nanotechnologie und die Menschen

Die Nanotechnologie ist vielleicht in unterschiedlicher Weise für Sie von Bedeutung. In Teil III behandeln wir Themen der Ethik, Sicherheit und Gesetzgebung, die vielleicht eine Auswirkung auf Ihren Umgang mit Produkten oder Methoden der Nanotechnologie in Ihrem täglichen Leben haben. Wir stellen außerdem die Möglichkeiten zur Ausbildung und die Berufslaufbahnen vor, die Ihnen vielleicht Vorteile bieten können, wenn Sie selber Teil dieses faszinierenden Gebiets werden wollen.

Teil IV: Der Top-Ten-Teil

Auf dem Gebiet der Nanotechnologie gibt es zahlreiche Akteure und Ressourcen. In den drei Kapiteln in Teil IV bieten wir einen Überblick über jeweils zehn Webseiten, die Ihnen helfen, die Nanotechnologie besser zu verstehen, einen Studienplatz zu finden sowie interessante Forschungseinrichtungen kennenzulernen.

Glossar

Im Glossar werden alle in diesem Buch eingeführten Fachausdrücke aufgelistet, um Ihnen einen handlichen, alphabetisch geordneten Überblick zu geben.

In diesem Buch verwendete Symbole

Wie in allen für Dummies-Büchern befinden sich auch in diesem Buch kleine Symbole am Rand. Wenn Sie einem der folgenden Symbole begegnen, merken Sie auf.

Dieses Symbol zeigt an, dass eine faszinierende Zahl oder Tatsache bezüglich der Nanotechnologie folgt, die neugierige Leser interessieren könnte.

Wenn Sie Hinweise auf Bücher, Webseiten, Videos und andere Quellen mit zusätzlichen Informationen über bestimmte Aspekte der Nanotechnologie suchen, sollten Sie nach diesem Symbol Ausschau halten.

Wenn eine Aktualisierung von Informationen auf der Webseite einer Firma oder einer Institution zu erwarten ist, dann erinnert Sie dieses Symbol daran, dort hinzugehen, um die neuesten Ergebnisse zu erhalten.

Dieses Symbol weist darauf hin, dass diese Information nicht unbedingt erforderlich ist, um das jeweilige Thema zu verstehen, aber einen interessanten technischen Hintergrund oder Erklärungen für den wissenschaftlich interessierteren Leser bietet.

Wie es weitergeht

Die Nanotechnologie ist ein faszinierendes Gebiet, das für unser künftiges Wohlbefinden vielversprechend ist. Die Entwicklungen in der Nanotechnologie sind faszinierend, ihr Verständnis versorgt Sie mit einigen naturwissenschaftlichen Kenntnissen in verschiedenen Bereichen einschließlich Physik und Chemie. Tauchen Sie in dieses Buch ein, in welcher Weise Sie auch immer wollen. Wenn Sie ein Grundwissen in Nanotechnologie benötigen, starten Sie mit Kapitel 1 und arbeiten Sie sich durch. Wenn Sie aber ein bestimmtes Thema interessiert, verwenden Sie das Inhaltsverzeichnis, um das Kapitel zu finden, in dem dieses Thema erläutert wird, und beginnen Sie dort. In jedem Fall sollten Sie Vergnügen an den in den Kapiteln dieses Buches enthaltenen Informationen finden, während Sie ein kluger Nanotechnologe werden.

Teil I

Grundlagen der Nanotechnologie

In diesem Teil . . .

Dieser Teil beginnt am Nullpunkt; es werden alle Grundlagen der Nanotechnologie erläutert. Die Kapitel in diesem Teil führen Sie in die Nanotechnologie ein: Es wird dargestellt, was sie ist und woher sie kommt; zudem werden die Leute vorgestellt, die Entdeckungen gemacht haben, die die naturwissenschaftliche Forschung in den letzten Jahrzehnten vorangebracht haben.

Anschließend werden die Grundbausteine der Nanotechnologie erläutert. Sie lernen alles über Nanomaterialien, die Methoden, mit denen man diese Materialien bearbeitet, und die Hilfsmittel, die jeder Nanotechnologe in seiner Nanowerkzeugkiste haben sollte.

Wenn Sie ein Neuling in der Nanotechnologie sind, erhalten Sie in diesem Kapitel alle nötigen Grundkenntnisse, um sich im Thema zurechtzufinden.

1

Einführung in die Konzepte der Nanotechnologie

In diesem Kapitel

Was definiert Nanotechnologie

Verstehen, wie sich Materialien im Nanometermaßstab von makroskopischen Körpern unterscheiden

Die Bottom-up- und Top-down-Ansätze zum Erreichen des Nanometerbereichs untersuchen

Die Rolle der Nanotechnologie in verschiedenen Wissenschaftsbereichen und der Industrie verfolgen

Die Nanotechnologie existiert erst seit etwa fünfzig Jahren als ein eigenständiger Zweig der Wissenschaft, sodass sie ein Baby im Vergleich zur Physik und Biologie ist, deren Wurzeln mehr als tausend Jahre zurückreichen. Wegen des geringen Alters der Nanotechnologie und weil sich unser Verständnis noch weiter entwickeln muss, ist ihre Definition noch im Fluss, wie Sie in diesem Kapitel feststellen werden.

Wir helfen Ihnen dabei, die Nanotechnologie zu verstehen, indem wir sie mit bekannteren Konzepten wie der Atomstruktur vergleichen. Darüber hinaus untersuchen wir, wie sich Materialien im Nanometerbereich verändern.

Schließlich reicht das Versprechen, das die Nanotechnologie für die menschliche Rasse bereithält, von der Verlängerung unseres Lebens um Jahrhunderte über die Bereitstellung von billiger Energie bis zur Reinigung von Luft und Wasser. In diesem Kapitel untersuchen Sie den großen Wirkungsbereich der Nanotechnologie, der sich auf verschiedene wissenschaftliche Disziplinen und viele Industriezweige erstreckt.

Was ist überhaupt Nanotechnologie?

Um Ihnen zu helfen, zu verstehen, was Nanotechnologie genau ist, beginnen wir, indem wir Ihnen eine Definition anbieten – oder auch zwei. Anschließend vergleichen wir Teilchen im Nanometermaßstab mit Atomen.

Eine genaue Definition geben

Die Nanotechnologie befindet sich noch in der Entwicklung, und es scheint keine Definition zu geben, der wirklich jeder zustimmt. Wir wissen, dass sich die Nanotechnologie mit Materie auf einer sehr kleinen Skala beschäftigt: größer als Atome, aber kleiner als ein Brotkrümel. Wir wissen, dass sich das Verhalten von Materie im Nanometerbereich stark von dem der entsprechenden makroskopischen, also ausgedehnten, Körper unterscheiden kann. Darüber hinaus beschäftigen sich einzelne Personen und Gruppen mit verschiedenen Aspekten der Nanotechnologie als Disziplin. Damit Sie sich ein Bild machen können, folgen hier einige Definitionen der Nanotechnologie.

Die folgende Definition ist wahrscheinlich die reduzierteste, über die man sich allgemein einig ist:

Nanotechnologie ist das Studium und der Gebrauch von Strukturen im Größenbereich zwischen einem Nanometer (nm) und 100 Nanometern.

Um diese Größen ins richtige Licht zu rücken, betrachten Sie folgendes Beispiel: Sie müssten eine Milliarde Teilchen mit Nanometergröße aufeinanderstapeln, um die Höhe eines ein Meter hohen Tischs zu erreichen. Ein anderer bekannter Vergleich besteht darin, dass Sie 80.000 Nanometer in der Dicke eines einzelnen Haares unterbringen könnten.

Das Wort nano ist die wissenschaftliche Vorsilbe, die für 10-9 oder den milliardensten Teil steht. Es stammt von dem griechischen Wort nanos und bedeutet Zwerg.

Die folgende Definition stammt vom Foresight Institute und berücksichtigt zusätzlich die verschiedenen Wissenschaftsfelder, die im Zusammenhang mit der Nanotechnologie eine Rolle spielen:

Strukturen, Bauteile und Systeme haben aufgrund der Anordnung ihrer Atome im Bereich von einem bis 100 Nanometern neuartige Eigenschaften und Funktionen. Viele Felder tragen zur Nanotechnologie bei, unter anderem die Molekularphysik, Materialwissenschaften, Chemie, Biologie, Computertechnologie, Elektrotechnik und der Maschinenbau.

Die Europäische Kommission bietet die folgende Definition, die sowohl die Tatsache aus der vorhergegangenen Definition wiederholt, dass Materialien im Nanometerbereich neuartige Eigenschaften besitzen, als auch die Nanotechnologie hinsichtlich ihres Potenzials für den wirtschaftlichen Markt einordnet:

Nanotechnologie ist das Studium der Phänomene und der Feineinstellung von Materialien im atomaren, molekularen und makromolekularen Bereich, wo sich die Eigenschaften stark von denen auf größeren Skalen unterscheiden. Produkte, die auf der Nanotechnologie gründen, sind bereits im Gebrauch; Finanzexperten erwarten, dass diese Märkte in diesem Jahrzehnt um Hunderte von Milliarden Euro wachsen.

Die folgende Definition der amerikanischen National Nanotechnology Initiative fügt die Tatsache hinzu, dass die Nanotechnologie bestimmte Tätigkeiten umfasst, wie etwa das Messen und Bearbeiten von Materie im Nanometerbereich:

Nanotechnologie ist das Verständnis und die Kontrolle von Materie im Bereich zwischen etwa einem und 100 Nanometern, in dem einzigartige Phänomene neuartige Anwendungen ermöglichen. Die Nanotechnologie umfasst Wissenschaften, Ingenieurwissenschaften und Technologie auf der Nanometerskala und beinhaltet die Darstellung, Messung, Modellierung und Veränderung von Materie in diesem Größenbereich.

Die hier letzte Definition stammt von Thomas Theis, Direktor der naturwissenschaftlichen Abteilung am IBM Watson Research Center. Sie bietet eine breitere und interessante Perspektive der Rolle sowie des Wertes der Nanotechnologie in unserer Welt:

[Die Nanotechnologie] ist ein aufkommendes wirtschaftliches Geschäfts- und Gesellschaftsphänomen. Die Befürworter der Nanotechnologie behaupten, dass sie die Art revolutionieren wird, wie wir leben, arbeiten und kommunizieren.

Vor der Nanotechnologie war das Atom

Wenn Sie sich an Ihren Oberstufenunterricht erinnern, wissen Sie etwas über Atome, daher werden wir dies als Ausgangspunkt bei der Erklärung der Entwicklung der Nanotechnologie nehmen. Abbildung 1.1 zeigt die Darstellung eines Atoms, das positiv geladene Protonen und neutrale Neutronen im Kern (Mitte) des Atoms sowie negativ geladene Elektronen auf den Bahnen um den Kern enthält.

Abbildung 1.1: Einfaches Modell der Struktur eines Atoms

Das Wort Atom stammt von dem griechischen Wort für unteilbar, atomos. Die Atombombe hat gezeigt, dass Atome durchaus gespalten werden können, doch im Jahr 450 v. Chr. waren den Menschen zum Glück solche Möglichkeiten nicht bewusst. Im Jahr 1803 entdeckte John Dalton, dass Verbindungen wie Wasser in Wirklichkeit Ansammlungen von Atomen sind. Diese Gebilde, die Moleküle genannt werden, haben andere Eigenschaften als die einzelnen Atome (denken Sie an zwei Wasserstoffatome in Kombination mit einem Sauerstoffatom und das nasse Ergebnis H2O).

Heute wissen wir, dass ein Teil von Daltons ursprünglicher Theorie des Atoms nicht wasserdicht ist. Dennoch zählen die wichtigen Konzepte, die besagen, dass chemische Reaktionen auf dem Verbinden und Trennen von Atomen beruhen und dass Atome unverwechselbare Eigenschaften besitzen, zu den Grundlagen der heutigen Physik.

Die Idee, dass sich Atome verbinden, um Moleküle wie Wasser zu bilden, ist der Schlüssel zur Chemie, Biologie und Nanotechnologie. Die Arbeit von Dalton und zahlreichen weiteren Naturwissenschaftlern hat Chemikern ermöglicht, nützliche Materialien wie etwa Plastik, aber auch zerstörerische Materialien wie Sprengstoff zu entwickeln. Alle Materialien bestehen aus Atomen; daher war es zunächst notwendig, die Atome selbst zu verstehen, um zu lernen, wie man neue Materialien herstellen kann. Naturwissenschaftler konnten aufgrund der Eigenschaften der von ihnen hergestellten Materialien Rückschlüsse auf die Atome ziehen, obwohl sie nicht in die Atome hineinschauen konnten.

Ein wichtiger und hervorzuhebender Punkt ist, dass niemand jemals die volle Struktur eines Atoms gesehen hat. Sogar die hoch entwickelten Mikroskope aus neuester Zeit offenbaren nicht die Einzelheiten der Atome, sondern zeigen nur verschwommene Bilder von winzigen Teilchen. Alle Informationen über die Struktur der Atome beruhen auf empirischen Belegen. Naturwissenschaftler bestimmten, dass jede Art von Atom unterschiedliche Lichtfrequenzen absorbiert, und verwendeten dann diese Unterschiede, um ein Modell der Struktur der Elektronen um den Kern jedes Atoms zu entwickeln. Andere Naturwissenschaftler beschossen Atome mit sehr kleinen hochenergetischen Teilchen und untersuchten, welche Art von Teilchen sich bei Zusammenstößen mit dem Atomkern bildeten, um herauszufinden, was sich innerhalb des Kerns jeder Atomart befindet. Dann entwickelten Naturwissenschaftler mithilfe der Mathematik ein Modell, um diese Ergebnisse anzupassen. Die Art, wie wir die Atome beschreiben, entwickelt sich auch heute noch weiter. Physiker beschießen Atome mit immer hochenergetischeren Teilchen, um mehr Einzelheiten über die Bestandteile des Atomkerns zu erhalten.

Doch welchen Bezug haben all diese Informationen über Atome zur Nanotechnologie? Nanopartikel (Teilchen, deren Durchmesser, Breite oder Länge zwischen einem Nanometer und 100 Nanometern liegen) sind größer als Atome, aber wie Atome jederzeit um uns herum. Sie werden durch Kerzenflammen, Holzfeuer, Dieselmotoren, Laserdrucker, Staubsauger und zahlreiche weitere Quellen abgegeben. Naturwissenschaftler arbeiteten über Jahrhunderte mit Nanopartikeln, bevor diese überhaupt als solche erkannt wurden. Doch anders als Atome – und das ist ein großer Unterschied – kann man heute die Struktur von Nanopartikeln sehen. Dieser Durchbruch erfolgte vor einigen Jahrzehnten mit dem Aufkommen der Elektronenmikroskope.

Unser Verständnis der Atomtheorie und die Möglichkeit, Dinge auf der Nanometerskala zu betrachten, erlaubt uns heute, Materie in einer Weise zu verändern wie nie zuvor.

In Kapitel 3 werden Nanopartikel und -materialien ausführlich erläutert. Kapitel 4 enthält Informationen darüber, wie diese bearbeitet werden können.

Der Weg vom Halbgebackenen zum Bakelit

Haben Sie sich jemals gefragt, was der erste vollständig von Menschen gemachte (synthetische) Stoff war? Die Antwort ist: ein auf Harz beruhendes Material, das man Bakelit nennt; dies war der erste Kunststoff. Bakelit wurde von einem Chemiker namens Leo Baekeland entwickelt. Zur Herstellung von Bakelit benötigt man Wärme und Druck, während zwei Chemikalien gemischt werden. Bakelit härtet in jeder Form aus, in die es gegossen wird. Seine einmalige Zusammensetzung führt dazu, dass man es weder verbrennen noch mit einer üblicherweise verfügbaren Säure auflösen kann. Das amerikanische Militär betrachtete Bakelit als Grundlage zur Herstellung von leichtgewichtigen Waffen. Darüber hinaus wurde Bakelit ein Bestandteil der meisten Waffen, die im Zweiten Weltkrieg verwendet wurden.

Bakelit finden Sie ebenfalls in Produkten wie elektrischen Isolatoren und Geschirr. Das Material bricht nicht, splittert nicht und bleicht nicht aus. (Okay, das klingt wie eine Dauer-werbung, aber das Material ist wirklich erstaunlich.) Heutzutage wird Bakelit größtenteils durch andere Kunststoffe ersetzt, doch zu seiner Zeit war es ein großer Durchbruch.

Sich der Nanotechnologie von oben und unten nähern

Die Frage, wie wir unser Wissen über Nanopartikel verwenden sollten, ist ausführlich diskutiert worden. Nanotechnologen kennen zwei Wege zur Herstellung von Materialien oder zur Veränderung von Bauteilen mit der Nanotechnologie, die Top-down und Bottom-up genannt werden.

Stellen Sie sich vor, Sie müssen den kleinstmöglichen Nanochip bauen. Wenn Sie die Bottom-up-Methode anwenden, würden Sie mit der Nanotechnologie den Chip Atom für Atom zusammenbauen, indem Sie jede Atomsorte an einen bestimmten Platz anordnen würden, um den Schaltkreis herzustellen. Bei der Top-down-Methode würden Sie stattdessen den Computerchip herstellen, indem Sie Material abtragen, etwa so wie ein Bildhauer bei seinem Kunstwerk, um Strukturen im Nanometermaßstab zu erzeugen. Sie würden dabei nicht mit der atomaren Ebene in Berührung kommen.

Die Top-down-Methode wird derzeit verwendet, um Computerchips und andere Produkte herzustellen, die Sie jeden Tag verwenden. Die Entwicklung der Bottom-down-Methode befindet sich erst am Anfang; das heißt, Forscher führen erste Experimente durch, um diese Methoden voranzutreiben.

Nanotechnologen arbeiten darüber hinaus zur Erzeugung von Strukturen mit Nanopartikeln mit einer Methode, die Selbstzusammenbau heißt und die in Kapitel 4 erläutert wird. Selbstzusammenbau beinhaltet die Erzeugung von Bedingungen, unter denen sich Atome und Moleküle auf eine bestimmte Weise selbst anordnen, um ein Material zu erzeugen. Manche betrachten das ebenfalls als Bottom-down-Ansatz.

Vier Generationen der Entwicklung der Nanotechnologie

Mihail (Mike) Roco von der Nanotechnology Initiative sagte vorher, dass die Entwicklung der Nanotechnologie in vier Generationen erfolgt. Nach Roco sind wir derzeit in einer Ära der passiven Nanostrukturen, die er als Materialien bezeichnet, die zur Erfüllung einer bestimmten Aufgabe entwickelt wurden. In der zweiten Phase, in die wir bereits eingetreten sind, verwenden wir »aktive Nanostrukturen in Mehrprozessschritten«. Diese Nanostrukturen schließen Elemente zur zielgerichteten Gabe von Medikamenten ein. Die dritte Generation betrifft Nanosysteme, die Tausende von miteinander wechselwirkende Komponenten umfassen können. In Zukunft gibt es möglicherweise integrierte und verschachtelte Nanosysteme, die viel mehr können, als heute denkbar ist, wie etwa eine hoch entwickelte molekulare Herstellung von Genen innerhalb der DNA von bestimmten Zellen oder Nanooperationen zur Heilung von Wunden auf zellularer Ebene.

Verstehen, wie die Nanotechnologie die Dinge verändert

Bisher haben wir dargelegt, dass Materialien im Nanometerbereich andere Eigenschaften als entsprechende makroskopische Körper aufweisen. Das ist ein grundlegender Gedanke, der eine weiterführende Erklärung verdient.

Nanopartikel sind so klein, dass sie nur wenige oder wenige Tausend Atome enthalten. Im Gegensatz dazu können die entsprechenden makroskopischen Körper viele Milliarden Atome enthalten. Dieser Unterschied ist der Grund für die einzigartigen Eigenschaften der Nanomaterialien, wozu unter anderem ihre Wechselwirkung mit anderen Materialien, ihre Farbe und ihr Schmelzverhalten bei hohen Temperaturen gehört.

Im folgenden Abschnitt erläutern wir diese Unterschiede und helfen Ihnen, die Änderungen zu verstehen, die sie ermöglichen.

Reaktionen mit anderen Elementen

Ein Aspekt bei der Untersuchung des andersartigen Verhaltens von Teilchen im Nanometerbereich betrifft ihr Verhalten in chemischen Reaktionen. Eines der interessantesten Beispiele ist hierbei Gold.

Gold wird als inaktives Material betrachtet, das nicht rostet oder anläuft (deshalb haben Sie für den Ring an Ihrem Finger so viel bezahlt). Normalerweise wäre es albern, Gold als aktiven Katalysator für chemische Reaktionen zu benutzen, da es nur extrem schwach reagiert. Wenn Gold jedoch in der Form von Teilchen im Nanometerbereich (ungefähr fünf Nanometer) vorliegt, kann man es unter anderem als Oxidationskatalysator für Kohlenmonoxid verwenden.

Diese Umwandlung läuft wie folgt ab. Je kleiner die Nanoteilchen sind, desto größer ist der Anteil an Oberflächenatomen und desto größer ist die Anzahl der Atome an den Kanten des Kristalls. In einem makroskopischen Körper ist jedes Goldatom (bis auf den geringen Prozentsatz an der Oberfläche) von zwölf anderen Goldatomen umgeben; nur die Atome an der Oberfläche haben sechs benachbarte Atome. In einem Gold-Nanoteilchen befindet sich dagegen ein wesentlich größerer Anteil an Goldatomen an der Oberfläche. Da Gold, wie in Abbildung 1.2 gezeigt, kristalline Strukturen bildet, sind die Goldatome an den Ecken des Kristalls von weniger Goldatomen umgeben als die an der Oberfläche des entsprechenden Körpers. Die freiliegenden Atome an den Ecken sind reaktiver als die im Festkörper, wodurch es Gold-Nanoteilchen möglich ist, Reaktionen zu beschleunigen.

Abbildung 1.2: Ein Nanopartikel aus Gold

Die Farbe ändern/Veränderliche Farbe

Es hat sich gezeigt, dass die Fähigkeit von Gold, Reaktionen zu beschleunigen, nicht das Einzige ist, was sich im Nanometerbereich ändert. Auch die Farbe des Golds kann sich in Abhängigkeit von der Größe der Partikel verändern.

Eines der Kennzeichen von Metallen besteht darin, dass sie glänzen, da das Licht an ihrer Oberfläche reflektiert wird. Die Reflexion hängt mit den Elektronenwolken auf der Oberfläche des Metalls zusammen. Da die Photonen, aus denen das sichtbare Licht besteht, diese Wolken nicht durchqueren können und auch nicht von den an die Atome in Metallen gebundenen Elektronen absorbiert werden, werden die Photonen reflektiert, und Ihr Auge nimmt den Glanz eines Schmuckstücks wahr.

Zusätzlich zu diesem Glanz haben Metalle unterschiedliche Farben, da manche Farben stärker reflektiert werden als andere. Gold und Kupfer haben beispielsweise bei kürzeren Wellenlängen (blaues Licht) eine geringeres Reflexionsvermögen (Reflektivität) als bei längeren Wellenlängen (gelbes, grünes und rotes Licht), was den goldenen Farbton verursacht. Silber hat über die verschiedenen Wellenlängen eine eher konstante Reflektivität, sodass alle Farben in etwa gleich reflektiert werden und ein weiß-silbriger Eindruck entsteht. In Festkörperform reflektiert Gold Licht. Im Nanometerbereich schwingt die Elektronenwolke an der Oberfläche eines Gold-Nanoteilchens in Resonanz mit unterschiedlichen Wellenlängen, die von der Frequenz des Lichts abhängen. In Abhängigkeit von der Größe des Nanoteilchens kann die Elektronenwolke mit einer bestimmten Wellenlänge in Resonanz kommen und diese absorbieren. Ein Nanoteilchen mit einer Größe von 90 Nanometern wird Farben am roten und gelben Ende des Farbspektrums absorbieren, sodass das Nanoteilchen blaugrün erscheint. Ein kleineres Teilchen von etwa 30 Nanometern absorbiert Blau und Grün, sodass es rötlich aussieht. Ohne zu wissen, dass Nanopartikel existieren, machten sich dies bereits im Mittelalter Glasmacher zunutze. Bei der Herstellung von Kirchenfenstern wurde etwas Gold zugesetzt, wodurch sich das Glas rot färbte. Nanotechnologen erörtern die mögliche Nutzung dieses farbverändernden Merkmals, um für zum Beispiel den medizinischen Bereich Sensoren zu bauen.

Bei niedrigeren Temperaturen schmelzen/Niedriger Schmelzpunkt

Eine weitere Eigenschaft, die sich im Nanometerbereich ändert, ist die Schmelztemperatur eines Materials. Betrachtet man einen Festkörper aus einem bestimmten Material wie etwa Gold, so besitzt er einen bestimmten Schmelzpunkt, unabhängig davon, ob man einen kleinen Ring schmilzt oder einen Goldbarren. Wenn man jedoch zur Nanometerskala übergeht, beginnt sich die Schmelztemperatur um Hunderte von Graden zu ändern.

Nanoteilchen aus Gold schmelzen bei relativ niedrigen Temperaturen (≈ 300 °C bei einer Größe von 2,5 Nanometern), während eine Goldplatte erst bei schon ziemlich heißen 1064 °C schmilzt.

Die Schmelztemperatur hängt mit der Anzahl der Atome und Ecken des Gold-Nanoteilchens zusammen. Wenn eine größere Anzahl von Atomen freiliegt, können durch die Wärme mehr Bindungen zu den benachbarten Atomen aufgebrochen werden. Je kleiner das Teilchen ist, desto niedriger ist sein Schmelzpunkt.

Nano ist überall

Die Nanotechnologie wird manchmal als eine Allzwecktechnologie bezeichnet, da sie in ihrer weiterentwickelten Phase erhebliche Auswirkungen auf fast alle Industriezweige und Gesellschaftsbereiche haben wird.

Anders als andere naturwissenschaftliche Bereiche, mit denen Sie vielleicht vertraut sind, besitzt die Nanotechnologie eine sehr große Bandbreite. Sie bezieht Informationen aus der Physik, der Chemie, den Ingenieurwissenschaften und der Biologie mit ein, um Materialien im Nanometermaßstab zu untersuchen und eine Vielzahl von Ergebnissen zu erzielen.

Die Möglichkeit, winzige Objekte zu sehen und mit ihnen zu arbeiten, hat gewaltige Auswirkungen auf die verschiedensten Forschungsbereiche, auch außerhalb der Physik. In diesem Abschnitt erhalten Sie eine Vorstellung von den Anwendungen und zukünftigen Änderungen, die durch die Nanotechnologie möglich werden.

Nanotechnologie in unterschiedlichen Feldern

Die Nanotechnologie kann auf unterschiedlichen Gebieten und in unterschiedlichen Zusammenhängen angewendet werden. Sie betrifft Industrien und erlaubt Fortschritte in Bereichen wie der Herstellung von Waren, der Medizin, der Raumfahrt, der Energie und der Umwelt. Die Methoden, die zur Erzeugung und Handhabung von Teilchen im Nanometerbereich entwickelt wurden, lassen auch auf die Heilung von Krankheiten wie Krebs, die Reinigung unserer Luft und die Erzeugung von preiswerter Energie hoffen.

Denken Sie an andere naturwissenschaftliche Disziplinen. Medizin bezieht sich auf das Gesundheitswesen; die Astronomie verschwindet in den Sternen; die Zoologen beschäftigen sich mit Tieren. Aber die Nanotechnologie ist nicht nur auf ein einziges Thema fokussiert; in dieser Hinsicht hat sie mehr Ähnlichkeit mit der Physik oder Chemie, naturwissenschaftlichen Disziplinen, deren Erkenntnisse in vielen Bereichen, Industrien und anderen naturwissenschaftlichen Fächern verwendet werden können.

In Deutschland wird die Nanotechnologie zum Beispiel durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gefördert, wobei sie vom Verein Deutscher Ingenieure (VDI) unterstützt wird. Aber auch die Gesundheits-, Umwelt- und Wirtschaftsministerien beteiligen sich an verschiedenen Programmen.

Die Nanotechnologie wird außerdem in vielen kommerziellen Bereichen angewendet; über viele dieser Gebiete werden Sie in den folgenden Kapiteln weitere Einzelheiten erfahren. So werden Nanomaterialien beispielsweise zu folgenden Zwecken verwendet:

Sie verleihen Materialien eine größere Festigkeit. Zum Beispiel bei der Produktion von Tennisschlägern oder Windrädern.

Sie wirken bei der chemischen Fertigung als Katalysatoren.

Sie helfen bei der Aufnahme von Medikamenten in den Körper.

Sie sorgen bei Bekleidungs-Fasern (die zur Herstellung von Kleidung verwendet werden) für eine bessere Widerstandskraft gegenüber Flecken.

Sie verbessern Verfahren zur medizinischen Bildgebung, wie zum Beispiel der Magnetresonanztomografie.

Sie verbessern die Effizienz von Energiequellen wie Batterien und Brennstoffzellen.

Sie hilft bei der Säuberung von Trinkwasser und der Reinigung unserer Luft.

Es können sogar Nanokeramiken in Ihrem Zahnimplantat vorhanden sein. Deren Eigenschaften können so angepasst werden, dass sie mit den Eigenschaften des umgebenden Gewebes übereinstimmen. Und fast jedes elektronische Gerät, das Sie besitzen, enthält verschiedene Arten von Nanomaterialien, insbesondere in den Chips, die in Computerbauelementen verwendet werden.

Abbildung 1.3: Webseite der Nationalen Kontaktstelle Nanotechnologie

Tipps von Arbeitsgruppen

Wenn Sie herausfinden wollen, ob ein Gebiet verschiedene Disziplinen betrifft, überprüfen Sie die Angebote der Universitäten zu diesem Thema. Sie werden feststellen, dass Nanotechnologie hochgradig interdisziplinär (Abbildung 1.4) ist und dass viele Arbeitsgruppen Studenten aus verschiedenen Disziplinen akzeptieren.

Mahbub Uddin und Raj Chodhury schreiben in einem Beitrag zu einer Konferenz über die Ausbildung in der Nanotechnologie: »Nanotechnologie ist Interdisziplinarität in Reinkultur. Wesentlich ist ein Lehrplan, der sowohl ein breites Verständnis der beteiligten Grundlagenwissenschaften als auch angewandter Gebiete wie die Ingenieurwissenschaften und die Informationswissenschaften beinhaltet«.

Abbildung 1.4: Die Webseite des CINSaTs an der Universität Kassel

Wenn Sie diesen Artikel vollständig lesen wollen: Sie finden ihn unter www.actionbioscience.org/education/uddin_chowdhury.html.

Die Lehrpläne der Technischen Universität München, der Universität Kassel und weiterer Hochschulen erfüllen diese Forderung nach Interdisziplinarität. Sie betreffen Studenten in Fächern wie Biologie, Chemie, Physik, die Ingenieurswissenschaften und viele weitere.

Aus diesen Beispielen geht hervor, dass die Vorbereitung von Studenten auf eine Laufbahn in der Nanotechnologie sowohl die Vermittlung von Kenntnissen in der Nanotechnologie als auch auf einem weiteren Gebiet ihrer Wahl enthalten kann.

2

Wer macht was?

In diesem Kapitel

Die Entwicklung der Nanotechnologie

Die Rolle einzelner Personen in der Nanotechnologie

Die Beteiligung von Firmen, Forschungslaboren und staatlichen Einrichtungen

Welche Anwendungen sind derzeit verwirklicht, was wird in der Zukunft sein

Dem grundlegenden Konzept nach beschäftigt sich die Nanotechnologie mit Materialien und ihrer Veränderung auf einer sehr kleinen Skala. Dies ist allerdings nur eine einfache Definition der Nanotechnologie. Wenn Sie jedoch den zeitlichen Verlauf der Entdeckungen, die zu unserem derzeitigen Kenntnisstand geführt haben, sowie das, was Einzelpersonen, Universitäten, Firmen und Forscher auf dem Feld der Nanotechnologie geleistet haben, betrachten, wird es Ihnen helfen, sich ein Gesamtbild zu verschaffen.

In diesem Kapitel behandeln wir die Entwicklung der Nanotechnologie und einige der Schlüsselpersonen (bei) dieser Entwicklung sowie die Organisationen, die auf dem Feld der Nanotechnologie tätig sind. Darüber hinaus werden einige der Produkte und Methoden vorgestellt, die die Nanotechnologie derzeit ermöglicht und in der Zukunft ermöglichen wird.

Die Entwicklung der Nanotechnologie verstehen

Obwohl die Verwendung der Nanotechnologie in Form von Nanopartikeln schon sehr alt ist, gibt es die Nanotechnologie als Gebiet der Naturwissenschaften erst seit etwa 80 Jahren. In diesem Abschnitt stellen wir einige der entscheidenden Ereignisse und Personen vor, die die Nanotechnologie geprägt haben, wie wir sie heute verstehen.

Die Zeitachse betrachten

Nanoteilchen wurden von den Menschen bereits vor Tausenden von Jahren verwendet, sie haben es nur nicht gewusst. Forscher berichten, dass ein bereits im alten Ägypten verwendetes Haarfärbemittel auf Bleibasis während der chemischen Reaktion Nanokristalle erzeugte, die am Prozess des Färbens beteiligt waren. Bereits im zehnten Jahrhundert erhielten die Fenster von europäischen Kirchen ihre Farbe durch Gold-Nanoteilchen, die im Glas eingeschlossen waren.

Die Farben traten auf, da die Nanoteilchen aus Gold andere Farben zeigten als makroskopische Goldkörper. In Kapitel 1 wird diskutiert, wie und warum bei Gold im Nanometerbereich veränderte Farben auftreten.

Doch das Vorhandensein von Materialien, die sich überall um uns herum befinden und sich auf eine bestimmte Weise verhalten, macht alleine noch keine Wissenschaft. Die Formalisierung dieses naturwissenschaftlichen Gebiets führte dann zu dem Wissen, woraus diese Teilchen bestehen und wie sie sich verhalten. Im Fall der Nanotechnologie war die Fähigkeit, diese Teilchen zu sehen, der Schlüssel zum Erkennen des riesigen Potenzials, das in der Welt im Nanometerbereich liegt.

Augen auf im Nanometerbereich

Der erste große Durchbruch beim Sichtbarmachen von Nanoteilchen fällt in das Jahr 1931, in dem die deutschen Physiker Ernst Ruska und Max Knoll das erste Transmissionselektronenmikroskop (kurz TEM) bauten. Diese Geräte besitzen heute eine Leistungsfähigkeit, die mehr als tausend mal so groß ist wie die eines herkömmlichen Mikroskops, das sichtbares Licht zur Vergrößerung verwendet. Ein TEM arbeitet mit einem fokussierten Elektronenstrahl anstelle von Licht zur Durchdringung und Vergrößerung eines Objekts, wobei der Vergrößerungsfaktor bis zu 1.000.000 betragen kann.

In den 30er Jahren des letzten Jahrhunderts stießen die Physiker an die Grenzen der Lichtmikroskope, mit denen man nur Objekte auflösen kann, die größer als 200 Nanometer sind, was etwas kleiner als die Wellenlänge des sichtbaren Lichts ist. Sie benötigten etwas, das ihnen ermöglichte, Strukturen wie etwa das Innere einer organischen Zelle zu sehen. Erforderlich war die Auflösung von Strukturen mit einer Größe von wenigen Nanometern. Um in der Lage zu sein, solche Objekte zu beobachten, arbeiteten sie an der Entwicklung des TEMs.

Das Transmissionselektronenmikroskop und die darauf folgenden Verbesserungen ermöglichten den Forschern, die Strukturen von Objekten im Nanometerbereich zu betrachten. Sie konnten somit durch die Untersuchung von Probenquerschnitten sowohl die Strukturen organischer Moleküle wie etwa Proteine erklären, aus denen der menschliche Körper besteht, als auch die inorganischer Materialien wie Metallen. Diese Fähigkeit ermöglichte Fortschritte in Bereichen, die von der Elektronik und Medizin bis zur Fertigung reichen. Diese wurden jedoch nicht gemeinsam als Nanotechnologie definiert.

Die Einführung der Nanophysik in die Welt: Richard Feynmans Rolle

Manche Leute betrachten einen Vortrag, den Richard Feynman, ein amerikanischer theoretischer Physiker, 1959 am California Institute of Technology (CalTech) hielt, als Anfangspunkt des allgemeinen Konzepts der Nanotechnologie. In dem Vortrag, der den Titel »Nach unten ist eine Menge Luft« trug, stellte Feynman die Möglichkeit vor, mit den Atomen und Molekülen, aus denen die Materie besteht, zu arbeiten und sie zu kontrollieren. Das entspricht im Wesentlichen der in Kapitel 1 vorgestellten »Bottom-up«-Methode der Nanotechnologie.

Feynman war kein Physiker mit nur einem Betätigungsfeld. Er erfand die Quantenelektrodynamik neu, die die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie im atomaren Bereich beschreibt. Seine Arbeit veränderte das Verständnis der Welt in Bezug auf die Frage, wie Licht durch Elektronen absorbiert und emittiert wird und welche Rolle das Licht bei der Abstoßung von Elektronen untereinander spielt. Feynman wurde für seine Arbeiten im Jahr 1965 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Manche Leute diskutieren, ob Feynman wirklich entscheidend dafür war, der Idee des Arbeitens mit Materie im Nanometerbereich zum Durchbruch zu verhelfen. Die wissenschaftliche Gemeinschaft scheint in den ersten 20 Jahren nach seinem Vortrag nicht sehr viel Notiz davon genommen zu haben. Erst als eine einflussreiche Arbeit über Nanotechnologie, Engines of Creation von Eric Drexler, 1986 veröffentlicht wurde, erhielt Feynmans Vortrag diese Art von Bedeutung. Im Rückblick war Feynmans Vortrag, in dem er fragte, »Was würde passieren, wenn wir die Atome einzeln so anordnen könnten, wie wir wollten?«, ein wichtiger Schritt zur Erforschung der Möglichkeiten in der Welt im Nanometerbereich und markiert so einen wichtigen Punkt in der Geschichte der Nanotechnologie. Zudem spielte Feynmans Interesse an der Nanotechnologie und seine einflussreiche Position in der wissenschaftlichen Gemeinschaft eine Rolle bei der Sicherung der Finanzierung der Nanotechnologie noch Jahre nach dem Vortrag.

Die Rolle des Rastertunnelmikroskops

Nachdem man Objekte im Nanometerbereich sichtbar machen konnte und die neue Wissenschaft benannt war, bestand der nächste Schritt in der Entwicklung der Nanotechnologie in dem Versuch, einzelne Atome zu bewegen. Dieser Durchbruch erfolgte im Jahr 1981, als Gerd Binning und Heinrich Rohrer von IBM Zürich ein Gerät bauten, das Rastertunnelmikroskop (englisch Scanning Tunneling Microscope STM) heißt und mit dem man Objekte auf der atomaren Skala bewegen kann.

Und ja, für den Fall, dass Sie fragen, die Erfindung des STMs brachte Binning und Rohrer den Nobelpreis in Physik im Jahr 1986 ein. Erkennen Sie hier ein Muster? Da Nanotechnologie ein äußerst vielversprechendes Gebiet ist, verdienen die Forscher, die daran beteiligt sind, im großen Stil die Aufmerksamkeit der wissenschaftlichen Gemeinschaft.

Ein STM arbeitet folgendermaßen: Eine unglaublich scharfe Metallspitze (wir reden über eine Breite von ein oder zwei Atomen) bewegt sich ganz knapp über die Oberfläche einer Probe. Wenn man eine elektrische Spannung zwischen der Spitze und der Probe anlegt, kann man ein Bild der elektrischen Topografie der Oberfläche erzeugen. Dieses Bild beruht auf den Änderungen im Strom, der zwischen Spitze und Oberfläche fließt. Mit dieser Methode kann man Bilder von Materie erzeugen, die so winzig wie ein Atom ist.

Aber das wird erst richtig interessant, wenn Sie erfahren, dass man mit einem STM Atome nicht nur abbilden, sondern auch bewegen kann. Im Jahr 1989 demonstrierte dies Don Eigler von IBM auf großartige Weise, indem er 35 Atome auf einer Nickeloberfläche so angeordnet hat, dass sie das Wort IBM ergaben. (Wir wetten, dass er in dem Jahr zu Weihnachten eine große Sonderprämie erhalten hat.)

Sie können in Ihrer Wohnküche allerdings keine Atome gerichtet bewegen. Für diese besondere Vorführung benötigt man ein Hochvakuum und eine stark gekühlte Umgebung, die ungefähr die Temperatur von flüssigem Helium hat (in etwa –268 °C).

Buckyballs verfolgen

Im Jahr 1985, zwischen der Einführung des STMs und der großartigen Vorführung der Bewegung von Atomen, beobachtete der britischer Chemiker Harry Kroto, dass Ketten aus Kohlenstoffatomen Billionen von Kilometern entfernt im Weltraum existieren. Kroto vermutete, dass diese Ketten in der Atmosphäre von roten Riesensternen erzeugt werden können.

Etwa zur gleichen Zeit stand Kroto in Verbindung mit Richard Smalley und Robert Curl, zwei amerikanischen Forschern an der Rice University, die Cluster aus Atomen untersuchten, die durch das Verdampfen von Metall- oder Halbleiterproben erzeugt wurden. Die drei Forscher kamen zusammen, als Kroto in die Vereinigten Staaten kam, um die erstklassige Ausstattung der Rice University zu nutzen. Um die wirklich sehr heißen Bedingungen nachzuahmen, die in der Atmosphäre eines roten Riesensterns herrschen (unerträglicher als Südspanien im Sommer), verdampften sie mithilfe eines Lasers Grafit in einer Atmosphäre aus Helium.

Bei diesem Vorgang bildeten sich Kohlenstoffmoleküle, die niemand vorher jemals beobachtet hatte. Sie stellten fest, dass die meisten dieser Moleküle genau 60 Kohlenstoffatome enthielten. Da die Moleküle stabil erschienen (sie behielten ihre Form und ihre Größe bei) und bereits bekannt war, dass kugelförmige Moleküle eher stabil sind als anders geformte, vermuteten Kroto, Smalley und Curl, dass es sich um »Kugeln« handeln musste. Die drei Naturwissenschaftler stellten letztendlich fest, dass der kugelförmige Zusammenschluss von 60 Kohlenstoffatomen ineinandergreifende Sechs- und Fünfecke erfordert, wie in Abbildung 2.1 dargestellt ist.

Abbildung 2.1: Die Struktur eines Buckyballs

Sie gaben dieser Struktur den Namen Buckyball; er bezieht sich auf den Architekten der geodätischen Kuppeln, Buckminster Fuller, da die Struktur dem Modell seiner Kuppeln ähnelte. Man nannte sie zunächst Buckminsterfullerene, was heutzutage gewöhnlich zu Buckyball oder Fulleren abgekürzt wird, da es sprachlich angenehmer ist.

Tony Haymet, ein australischer Forscher an der University of California, veröffentlichte zur gleichen Zeit einen Artikel, in dem die Existenz dieses Verbunds vorhergesagt wurde, den er Fußballmolekül nannte. Er wählte diesen Namen, da die Sechs- und Fünfecke ein Muster bilden, das dem eines Fußballs gleicht. Schade für Tony, dass der Name nicht hängen blieb.

Als die Entdeckung bekannt gegeben wurde, erkannte die naturwissenschaftliche Gemeinschaft sofort deren Nützlichkeit; Kroto, Smalley und Curl erhielten 1996 den Nobelpreis für Physik.