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Nanotechnologie

Nanotechnologie ist a), wie der Name sagt, eine technische Wissenschaft, oder zumindest eine Wissenschaft die sich über die potentielle wirtschaftliche Nutzbarkeit ihrer Resultate "verkauft"; b) fachübergreifend, also ein Muster der Interdisziplinarität. Sie erfordert fundierte Kenntnis der Grundlagen aus unterschiedlichen Forschungs- und Anwendungsgebieten (von Festkörperphysik und Materialkunde wie Metallurgie, "Siliziologie" (Chips, Mikroelektronik, Optik, bis zu Biochemie, Kenntnisse der Membranen und Bionano, Biochips, die den Menschen mit der Maschine verbinden. 

Nanotechnologie bearbeitet den Bereich, wo sich Miniaturisierung der Mechanik und Biochemie, als Molekülbau, treffen, also unterschiedlichste Disziplinen zusammen arbeiten müssen. Das Hauptproblem der Miniaturisierung ist der zunehmende Oberflächeneffekt. Oberflächen haben aber andere chemische und physikalische Eigenschaften als Innenbereiche. Zudem brauchen Sie um kleinste Teile mechanisch be- und verarbeiten zu können auch entsprechend feines Werkzeug, wobei die technische Realisierbarkeit an Grenzen stösst. Oekonomische und technische, letztlich durch Naturgesetze bedingte Grenzen, beschränken also das Downscaling (banal ausgedrückt: Ein Atom können sie nicht mit einer Pinzette anfassen).

Nano bedeutet auf griechisch Zwerg oder zwergenhaft und steht für 1 milliardstel Teil von irgendwas, also z.B. von einem Liter nl, einem Meter nm (= ein Millionstel mm = ein tausendstel Micrometer).

10-9= 0.000'000001

Die DNA z.B, als absolut riesigstes Molekül, hat eine totale Länge von 1.8m, in jeder Zelle ! und ist in ein Gebilde von nur 0.001cm verpackt. Würde man die DNA des gesamten Köpers strecken und aneinander legen reichte sie 600 mal zur Sonne und zurück. Damit ist die DNA das absolut grösste Riesenmolekül, zumindest in der Länge. "Quer", also was die "normale" Dimension von Molekülen beträgt, so wird diese bloss in Picometern (10 -12 m)gemessen, ist also nochmals um einen Faktor 1000 kleiner als Nano.

Der amerikanische Physiker Richard Feynman nutzte das Wort erstmals 1959 im Hinblick auf "grenzenlose" Miniaturisierung. Ein experimenteller Meilenstein war das Rastertunnelmikroskop 1981, entwickelt von Gerd Binnig und Heinrich Rohrer am IBM-Forschungslabor in Rüschlikon. Sie erhielten dafür 1986 den Nobelpreis.

 

Microelektronik: Chips/Halbleitertechnologie

In der Mikroelektronik dürfte es vor allem der Bau von Computerchips (gewesen) sein, der die Nanotechnologie bedarf und antreibt. Nach dem moorschen Gesetz verdoppelt sich die Zahl der Transistoren pro Chip alle 18 Monate. 1970 waren es ca 4000, 1990 eine Million, für 2007 wird der erste Prozessor mit 1 Milliarde Transistoren erwartet. Diese extreme Zunahme der Leistung bedingt eine Verkürzung der Schaltstrecken und damit eine Verdichtung der Schaltkreise auf den Microprozessoren. Bald (in einigen Jahrzehnten sagt man zur Zeit) kommen sich die Elemente so nahe, dass sie a) nur noch wenige Atomlagen umfassen, womit sie b) gemäss den Gesetzen der Quantenphysik nicht mehr so betrieben werden könnten wie heute. Was die Dichte betrifft könnte die Aussage allerdings schon überholt sein, denn während dem laut Hartmann die heutige Stufe von 90-130 nm bis 2020 auf 23 nm gesenkt werden könnte, vermeldet IBM Zürich zur Zeit, der Chip mit 45 nm könne bereits 2008 eingesetzt werden. Bei 20 nm ist dann die Grenze erreicht, bei der Quantencomputer ev. ins Gespräch kommen.

Mit der Verkleinerung fielen auch die Kosten enorm. 1973 kostete ein Megabit Kapazität bei Speicherchips (DRAM) 75'000 $, zehn Jahre später 130 $, 1995 3 $, 2006 0.05 $.

http://www.research.ibm.com/journal/rd/462/nair.html

Die neuste Erfolgsmeldung auf dem Weg zur Nanoisierung stammt wieder mal aus dem IBM-Labor in Rüschlikon. Peter Liljeroth untersucht dort Naphtalocyanin-Moleküle, die zwei verschiedene Zustände annehmen, und so als Schalter dienen können. Er schätzt allerdings, dass noch 10 bis 15 Jahre vergehen bis die Andwendung einsatzfähig ist. Damit liesse sich ein Computerchip bauen, der nur so gross wäre wie ein Staubkorn und auf einer Nadelspitze platz hätte.

Instabilität in Nanostrukturen: http://www.nanowerk.com/spotlight/spotid=801.php

Hieran zeigt sich bereits die enorme Komplexität des Bereichs der als "Nanotechnologie" beschrieben wird, denn obwohl der Ursprung in der Analyse der Materialien - eben auf der Nanoebene liegt - können die zur Analyse verwendeten Instrumente, insbesondere das Rastertunnelmikroskop, auch zur ingenieursmässigen Nano-Konstruktion verwendet werden, also praktische Anwendungen ermöglichen:

 

 

 

Weitere Nano-Spezialitäten:


 


Erwartung an die Entwicklung des Nano- to Bio-Bereichs in den nächsten 10 Jahren:

Die Position der Schweiz [SWX: Das schweizerische Kompetenznetz in der Mikro- und Nanotechnologie]

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Die Unternehmenslandschaft im Bereich der Mikro- und Nanotechnologie ist geprägt von vielen Klein- und Kleinstunternehmen, welche national und international erfolgreiche Nischenplayer sind. Die hohe Marktfragmentierung macht es schwierig, führende Unternehmen zu identifizieren. Die Unternehmensgrösse wird oft als unterkritisch beurteilt.

Allein in den USA wurden für das Budgetjahr 422 Mio. USD für Forschungsprogramme im Bereich der Nanotechnologie beantragt. Auch Deutschland investiert mit jährlich 30 Mio. DM ebenfalls stark in die Gründung und den Aufbau von Kompetenzzentren in die Nanotechnologie. Die Schweiz stellt jährlich über 30 Mio. CHF an Forschungsbeiträgen in Nanotechnologie und verwandte Bereiche zur Verfügung. Pro Kopf gerechnet liegt das schweizerische Engagement damit weltweit an der Spitze, wegen der stark abnehmenden Forschungsaufwendungen der Eidgenossenschaft in dieses Gebiet allerdings mit rasch sinkender Tendenz.

Zu Deutsch:

Viel Forschung - wenig Umsatz - wenig Arbeit(splätze) ...eben das heisst "wissensbasierte Oekonomie"

Potentielle Problembereiche:

Miniaturisierung ermöglicht unbemerkte Überwachung, Spionage, Kontrolle aller möglichen Details - verstärkt also das Problem des Datenschutzes und generell des Rechts auf Privatsphäre.

Besonders kritisch ist dies im Gesundheitsbereich. Massenscreenings erlauben es relativ günstig nach allen möglichen Dispositionen für Krankheiten zu suchen ... die sich bei den meisten nie äussern, aber so zu einem weiteren Mittel der Diskriminierung werden können.

Der Mensch wird weiter normiert, zur technisch-pharmazeutischen Behebung von Defiziten gedrängt, ev. gar zu genetischen Korrekturen: Während Seh- und Hörhilfen hier kein Problem darstellen, die Ankopplung von Prothesen äusserst nützlich scheint, die Produktion von mangelnden Proteinen die bisher zu schwerwiegenden Störungen und zum Tode geführt haben wie bei cystischer Fibriose - wird auch hier ein Druck entstehen, sich bei gegebenen Schwächen in gewissen Bereichen technisch "normieren" zu lassen. All diese Fragen sind aber nicht spezifisch auf den Nanobereich beschränkt. Dennoch ist es angebracht, wo über "die Verbesserung des Menschen" geredet wird, diese Diskussion auf ethischer und nicht auf technologischer Basis zu führen. Das Selbe gilt für die Verbesserung des Menschen durch Gentechnik.

Die Gefahr von Replikanten jedoch ist gegenwärtig etwa so gross wie die, von mutierten Osterhasen angegriffen zu werden.

 

Links:

M. Herzog, Basel, 2.4.07

Keine Nanotechnik, sondern Tulpenpollen, reine Natur. Rasterelektronenmikroskopkunst von: www.micronaut.ch