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Was ist Nanotechnologie?

Fraunhofer Allianz Nanotechnologie
 

Das Schlagwort Nanotechnologie umfasst heute ein breites Spektrum von neuen Querschnittstechnologien mit Werkstoffen, Bauteilen und Systemen, deren Funktion und Anwendung auf den besonderen Eigenschaften nanoskaliger (≤ 100 nm) Größenordnung beruhen. Und Nanotechnologie ist fester Bestandteil unseres alltäglichen Lebens: z. B. sorgen Nanopartikel in Sonnencremes für den Schutz der Haut vor UV-Strahlung oder verstärken Autoreifen, mit Nanotechnologie werden pflegeleichte und kratzgeschützte Oberflächen erreicht. Die Technologie wird bereits quer durch Branchen und Industriezweige für unterschiedlichste Anwendungen genutzt.

  Nanomaterialien

Viele Stoffe, so etwa die meisten Oxide und Kohlenstoffverbindungen, sind für weite Bereiche des elektromagnetischen Spektrums, darunter das sichtbare Licht, an sich transparent. Dass Keramiken und viele Kunststoffe dennoch opak weiß oder höchstens durchscheinend sind, liegt daran, dass sie aus einem oder mehreren Bestandteilen aufgebaut sind, die optisch anisotrop sind und / oder unterschiedliche Brechzahlen haben und damit Lichtstreuung verursachen. Solche Effekte verschwinden aber, wenn alle derartigen Bestandteile wesentlich kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts.

Auch in Kunststoffen geht die Transparenz verloren, wenn sie kristalline Bereiche hinreichender Größe oder andere Inhomogenitäten enthalten. Transparent sind daher nur die glasigen Polymere wie Polycarbonat, PMMA (Plexiglas) oder auch die organisch vernetzten anorganischen Hybridpolymere (ORMOCER®e). Letztere enthalten zwar außer den organischen Ketten auch anorganische Bestandteile, jedoch sind die Struktureinheiten allenfalls wenige Nanometer groß und kovalent miteinander verknüpft, bilden also einen nanoskaligen molekularen Verbundwerkstoff. ORMOCER®e, die am Fraunhofer-Institut für Silicatforschung ISC entwickelt wurden, werden für unterschiedliche Anwendungen industriell eingesetzt, z.B. für den Verschleißschutz transparenter Polymere.

  Nanooptik / Nanoelektronik

Auch in der optischen Kommunikationstechnik werden Bauelemente, deren Wirkung auf der Beugung des Lichtes an periodischen nanoskaligen Strukturen beruht, erhebliche Bedeutung gewinnen. Dies gilt besonders für die so genannten photonischen Kristalle, die ganz neue Möglichkeiten zur Führung von Lichtwellen erschließen. Die eigentliche Nanoelektronik, gekennzeichnet durch Begriffe wie Ein-Elektronen-Transistor, Spintronics oder Molekular-Elektronik, steckt heute noch weitgehend im Bereich der physikalischen Grundlagenforschung. Hier werden typische Bottom-up-Ansätze verfolgt, deren technische Realisierung noch schwer einzuschätzen ist. Umgekehrt ist die Miniaturisierung von Halbleiterstrukturen in evolutionärer Weise, z. B. bezüglich der Gateoxiddicken in Feldeffekt-Transistoren, schon längst in den nanoskaligen Bereich vorgestoßen. Der Einsatz neuer Materialien und die Kontrolle des Schichtaufbaus auf atomarer Skala stellen hier die große Herausforderung dar.

  Nanobiotechnologie

Besonders große Bedeutung wird der Einsatz nanotechnologischer Verfahren und Strukturen in überschaubarer Zeit in der Nanobiotechnologie finden. Die für das Leben entscheidenden Prozesse in der Biologie, z. B. Mustererkennung, Vermehrung, Energieumwandlung und Stoffwechsel, laufen auf nanoskaliger Ebene ab, denn die molekularen Einheiten, die Träger dieser Funktionen (z. B. Polynukleotide und Polypeptide), sind selbst Makromoleküle, deren funktionskritische Abmessungen im Nanometerbereich liegen. Funktionsfähige Einheiten bilden sich aus den genannten Bausteinen durch Selbstorganisation, die auf dem Prinzip der molekularen Erkennung fußt. Fortschreitende Erkenntnis der Bau- und Wirkprinzipien ermöglicht direkte Interaktion mit den biologischen Systemen mit technischen Mitteln, die dann aber notwendigerweise ebenfalls nanoskaligen Aufbau haben müssen. Umgekehrt können aus den biologischen Wirkmechanismen auch neuartige Ansätze für technische Prozesse abgeleitet werden.

  Nanomesstechnik

Nachdem viele konventionelle Methoden bei der Charakterisierung nanoskaliger Objekte an ihre Grenze stoßen, ist auch die Weiterentwicklung analytischer Methoden eine für den Erfolg der Nanotechnologie wesentliche Voraussetzung. Die Rasterkraftmikroskopie und verwandte Verfahren sind für diese Aufgabenstellungen besonders leistungsfähige Methoden, deren Potenzial laufend erweitert wird. Wie bei der Charakterisierung von "trockenen" Proben mit der Rasterkraftmikroskopie müssen auch die Untersuchungsmethoden für "nasse" Proben, d. h. für Dispersionen und Emulsionen, mit der Weiterentwicklung der Prozesstechnik für Nanomaterialien Schritt halten. Hier hat sich für die Partikelgrößenanalyse seit vielen Jahren die Photonen-Korrelations-Spektroskopie (PCS) als klassische Methode etabliert.

  Nanoprozesstechnik

Bei Sinterwerkstoffen wie den Keramiken ist erste Voraussetzung, dass die verwendeten Ausgangskorngrößen bereits dieser Forderung entsprechen. Die chemische Industrie bietet seit einigen Jahren Oxidpulver in nanoskaliger Körnung an. Eine Schwierigkeit bei der Verarbeitung solcher Nanopartikel stellt jedoch deren generelle Neigung zur Agglomeratbildung (Zusammenlagerung) dar, bedingt durch ihre hohe spezifische Oberfläche und die damit verbundenen starken Wechselwirkungskräfte. Darüber hinaus muss das Wachstum der Nanopartikel während des Sinterprozesses unterdrückt werden.

 

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