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Nanotechnologie

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Andreas und Verena sind ein Paar seit dem 13. August 1994 und sind am 7. Juli 2001 den Bund der Ehe eingegangen. Es folgte Philipp am 15. April 2002

Nanotechnologie

Es stellt sich als ziemlich schwieriges Unterfangen dar, den Begriff der Nanotechnologie zu definieren, da um sich zum Hype zugehörig darzustellen, so viele verschiedene Unternehmungen und Vorhaben mit der Vorsilbe Nano versehen werden.

Letztendlich ist Nanotechnologie auch ein übergreifender Begriff, in dem sich die Interdisziplinarität naturwissenschaftlicher Forschung in der Physik, der Chemie, der Biologie oder auch der Medizin ausdrückt, insbesondere wenn es um die Erforschung nanoskaliger Effekte in diesen Wissenschaften geht. Anderseits umfasst der Begriff der Nanotechnologie als immanenten Wortbestandteil natürlich auch das technologische Gebiet, in dem es um die Anwendung nanoskaliger Effekte in verschiedenen Bereichen der Industrie geht. Visionäre gehen auch noch einen Schritt weiter und verstehen unter Nanotechnologie das Bauen mit atomaren und molekularen Baumaterialien unter Nutzung nanoskaliger Werkzeuge und Automaten zur Herstellung makroskopischer Produkte, das molekulare Manufacturing, dessen führender Visionär Eric Drexler ist. Für seine Jünger ist der Begriff Nanotechnologie grundsätzlich nur auf diese Thematik eingegrenzt.

Anderseits ist es nicht immer richtig von Nanotechnologie zu sprechen, nur weil die kleinsten Strukturen eines Produktes nanoskalige Ausmaße haben, denn mit der Nanotechnologie wird das Ziel verbunden, mit der Nanoskaligkeit neue Eigenschaften und Funktionen von Produkten zu erlangen.

Um dies kurz zu erläutern, werden die Ansätze zur Herstellung nanoskaliger Einheiten, der Top-Down-Ansatz sowie der Bottom-Up-Ansatz, benutzt.

Der Bottom-Up-Ansatz verfolgt auf der Grundlage der Zusammensetzung kleinster Einheiten wie Atome und Moleküle den Aufbau neuer größerer Strukturen, mit neuen Eigenschaften. Dies geschieht in der Natur durch Selbstorganisationsprozesse von biologischen Grundmaterialien wie Proteinen zu Zellen und schließlich zur neuen Qualität des Lebens bis hin zum denkenden Menschen. Das Ziel des atomaren Manufacturing beruht ebenso auf diesem Ansatz, denn aus atomaren und molekularen Bausteinen werden durch eine neue Qualität des Ingenieurwesens in Form nanoskaliger Werkzeuge neuartige Produkte hergestellt, die in ihrer Form und ihren Eigenschaften vorher nicht von der Natur gebaut wurden, aber ebenso nicht von der bisherigen Bulktechnologie des Menschen. Der Begriff Bulktechnologie bezeichnet dabei im Prinzip das Herausschnitzen eines Produktes aus einem makroskopischen Grundbaustein, wie es mit dem Faustkeil aus einem großen Stein geschehen ist, aber wie es auch mit der Veredelung von Rohstoffen in der Chemie- und Stahlindustrie oder mit Lithografieverfahren in der Mikroelektronik realisiert wird. Ist eines der Merkmale, Einsatz neuartiger nanoskaliger Werkzeuge oder neuartiger Produkte erfüllt, ist der Begriff Nanotechnologie gerechtfertigt. Als Werkzeuge werden bei den Visionären des molekularen Manufacturing nanoskalige Automaten, die sich selbst reproduzieren können, die so genannten Replikatoren eingesetzt.

Der Top-Down-Ansatz geht grundsätzlich den Weg der Bulktechnologie. Er verwendet dabei wiederum makroskopische Materialien und Werkzeuge und stellt daraus immer kleinere Strukturen bis hin zu nanoskaligen Einheiten her. Dies können Nanopartikel sein, deren Einsatz die Herstellung von Produkten mit neuen Eigenschaften begründet, aber zum Beispiel auch die Herstellung von neuen Computerarchitekturen, bei denen bewusst mit quantenmechanischen Effekten gearbeitet wird.

Wird aber mit Lithographieverfahren in der Informationstechnik der Transistor immer kleiner gebaut, zuerst in Mikrometerstrukturen und der damit verbundenen Mikroelektronik und dann in Strukturgrößen von einigen 10 Nanometer, ist es schwierig von Nanotechnologie zu sprechen. Hierbei geht es nicht um neue Eigenschaften, sondern vorrangig um die Miniaturisierung bei der Jagd nach einer höheren Anzahl von Transistoren auf dem Chip. Quantenmechanische Effekte in diesen Größenordnungen werden noch als störende Effekte und nicht als neue nützliche Eigenschaften betrachtet. Es existiert hier zwar der Begriff Nanoelektronik, doch es ist kritisch zu hinterfragen, wo es sich wirklich um Nanotechnologie handelt.

Ganz anders wiederum stellt sich die Sache in der Quanteninformatik und der Quantenkrypthografie dar, die bewusst auf quantenmechanische Effekte setzt und neue Architekturen für die Informations- und Kommunikationstechnologie entwickeln will.

Um die Einordnung ein wenig zu erleichtern, soll hier eine sinnvolle Definition aus der Broschüre „Nanotechnologie erobert Märkte“ des Bundesministeriums für Bildung und Forschung aus dem Jahre 2004 zitiert werden.

„Nanotechnologie beschreibt die Herstellung, Untersuchung und Anwendung von Strukturen, molekularen Materialien, inneren Grenz- und Oberflächen mit mindestens einer kritischen Dimension oder mit Fertigungstoleranzen typischerweise unter 100 Nanometer. Entscheidend ist dabei, dass allein die Nanoskaligkeit der Systemkomponenten neue Funktionalitäten und Eigenschaften zur Verbesserung bestehender oder Entwicklung neuer Produkte und Anwendungsoptionen resultieren. Diese neuen Effekte und Möglichkeiten sind überwiegend im Verhältnis von Oberflächen- zu Volumenatomen und im quantenmechanischen Verhalten der Materiebausteine begründet.“

Diese Definition zeigt natürlich, wie schwierig es ist, bei der Nanotechnologie von einem Fachgebiet zu sprechen, ist es doch eher ein Oberbegriff über verschiedene technische und wissenschaftliche Richtungen.

Nanotechnologie verfolgt erstens das Anliegen, nanoskalare Strukturen aus der Natur und ihre Eigenschaften zu untersuchen, um Ideen für deren Einsatz im menschlichen Leben zu finden. Untersucht werden physikalische und chemische Eigenschaften, Selbstorganisationsprozesse, aber auch die Wirkungsweise der Bausteine des Lebens, der Zellen, sowie die Fortpflanzungsmechanismen mittels der DNA. Entsprechende Untersuchungsmethoden lassen sich unter dem Begriff Nanoanalytik sammeln. Um die Vorgänge in diesen Maßstäben dem Menschen sichtbar zu machen, stehen entsprechende Mikroskopieverfahren und Spektroskopieverfahren zur Verfügung. Insbesondere schufen G. Binning und H. Rohrer 1982 mit der Entwicklung des Rastertunnelmikroskopes (STM: Scanning Tunneling Microscopy), wofür sie 1986 den Nobelpreis erhielten, sowie mit der Weiterentwicklung zum Rasterkraftmikroskop (AFM: Atomic Force Microscopy) die Grundlage atomare Strukturen abbilden und manipulieren zu können.

Nanotechnologie beschäftigt sich zweitens mit der Herstellung nanoskaliger Produkte, wobei hier die Bandbreite von Nanopartikeln, Nanoclustern, Quantenpunkten bis hin zu kompletten nanoskaligen Architekturen reicht.

Hierbei werden wiederum physikalische, chemische und biologische Verfahren eingesetzt. Als physikalische Methoden zur Herstellung von Nanopartikeln werden zum Beispiel verschiedene Gasphasenmethodiken, sowie Laser- und Elektronenstrahlverfahren im Vakuum bis hin zu mechanischen Verfahren eingesetzt. Ebenso steckt in biologischen Selbstorganisationsprozessen viel Lernpotential für den Menschen bei der Herstellung komplexer makroskopischer Einheiten aus nanoskaligen Baustoffen. Es gilt die Funktionsweise der Zellen sowie den Reproduktionsprozess über die DNA zu erkunden.

Das Team um Eric Drexler wiederum verfolgt mit dem molekularen Manufacturing den Weg der Herstellung von makroskopischen Strukturen mittels nanoskaliger Werkzeuge und Automaten sowie eines Schleifenprozesses der Reproduktion.

Um diese Prozesse überwachen und realisieren zu können, werden wiederum Analysegeräte sowie entsprechende Werkzeuge benötigt, wie schon im Themengebiet Untersuchungsmethoden ausgeführt. Damit ordnen sich Aufgaben zur Herstellung von Analysegeräten sowie von Werkzeugen im nanoskalaren Manufacturing auch unter der breiten Thematik Nanotechnologie ein.

Nanotechnologie beschäftigt sich drittens mit der Anwendung von nanoskalaren Strukturen. Die Anwendungsbereiche ziehen sich dabei quer durch alle klassischen Industriefelder. Einsatzgebiete finden sich in der Analytik, der Medizin (z.B. bei der Verbesserung tomografischer Bildgebungsverfahren), in der Optik, der Chemie (insbesondere auch in der Pharmazie), in der Materialforschung bei der Entwicklung neuer Materialien, der Energie- und Umwelttechnik, in der Informationstechnik und der Elektronik.

Doch geht es nicht nur um die Anwendung nanoskalarer Strukturen, sondern auch um den Aufbau kompletter, neuer nanoskaliger Architekturen. Zum Beispiel geht es bei der Entwicklung einer neuen Computerarchitektur um die Ausnutzung quantenmechanischer Effekte. Dafür steht der Begriff Quanteninformatik.

In einer umfassender definierten Nanoelektronik außerhalb der klassischen Siliziumtechnologie geht es darum, auf Grundlage biologischer Prinzipien Bauelemente mit Speicher- und Verarbeitungselementen im Molekülmaßstab herzustellen.

Winzige Geräte mit nanoskaligen Pumpen, Motoren, Ventilen, Sensoren und Aktoren können in Nanogeräten und Nanorobotern in der Medizin Anwendung finden, wenn es darum geht, Medikamente im Körper an genau die richtigen Stellen zu bringen, ohne den Körper massiv den Nebenwirkungen eines Medikaments auszusetzen; oder um den Körper non-invasiv zu untersuchen und zu heilen.

Letztendlich besteht die Vision Minifabriken aufzubauen, in der jede Art von Produkt mit nanoskaligen Bauteilen durch Nanoroboter zusammengesetzt werden kann.

Diese kurze Zusammenfassung hat keinen Anspruch auf Vollständigkeit und stellt nur den Eindruck des Autors nach den ersten Monaten der Beschäftigung mit dieser Thematik dar. Unterstützend soll deshalb noch ein Zitat von Prof. Uwe Hartmann aus „Nanobiotechnologie - Eine Basistechnologie des 21. Jahrhunderts“ folgen.

Die Nanotechnologie ist eine Querschnittstechnologie mit hohem Innovations- und Anwendungspotential. Kurzfristig ist sicherlich im Sinne obiger Ausführungen mit einem starken Einfluss auf Entwicklungen in Bio- und Gentechnologie, Mikroelektronik und Werkstofftechnologie zu rechnen. Mittelfristig wird die Nanotechnologie namhaft zur Lösung von Problemen mit Querschnittscharakter in den Bereichen

  • Ökologie
  • Kreislaufwirtschaft
  • Ressourcenschonung
  • Energieerzeugung und -speicherung
  • Gesundheitswesen
  • Prozesssicherheit
  • Information und Kommunikation
beitragen. Langfristig sind dann durch gänzlich neue Funktionen gekennzeichnete Produkte mit erheblichen Implikationen für den Arbeitmarkt des einundzwanzigsten Jahrhunderts zu erwarten.

Für die Nanobiotechnologie bedeuten diese Prognosen zur Entwicklung der Nanotechnologie allgemein, dass langfristig wirkliche nanobiotechnologische Produkte, wie etwa aus biologischen Bausteinen aufgebaute Nanomaschinen, bioelektronische Komponenten sowie allgemein biologische Komponenten zur Informationsverarbeitung zu einer Ablösung heute etablierter Industrien führen werden. Auch gänzlich neue Verfahren der Nano- oder Molekularmedizin sowie höchstintegrierte Biochip-Technologien sind eher langfristige, aber bezüglich ihres Umfanges umso relevantere Perspektiven anzusehen. Bereits mittelfristig ist mit erheblichen Märkten in den Bereichen biomimetische, biokompatible und biokomponierte Materialien, Biokatalyse, Biosensorik und Nanobiopharmazie zu rechnen. Kurzfristig hingegen dürfte die wesentliche Bedeutung nanobiotechnologischer Entwicklungen darin bestehen, dass sie bereits vorhandene Zuliefermärkte, etwa für allgemeine Messtechnik, für Lasertechnologie, für Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik und auch für biokompatible Materialien stark stimulieren bzw. gänzlich neu definieren. Dieser Effekt ist in seiner wirtschaftlichen Bedeutung keineswegs zu unterschätzen.“

Januar 2005, copyright by Andreas Kießling


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