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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.

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.

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....