Einführung

Einführung in die Welt der kleinsten Teile

Nano ist eine Vorsilbe, die den Milliardsten-Teil von etwas kennzeichnet (10-9), kommt aus dem Griechischen und bedeutet wörtlich übersetzt: Zwerg. Es geht also tatsächlich um etwas sehr kleines, nicht nur unsichtbar für die Augen sondern z.B. auch nicht sichtbar mit konventionellen Mikroskopen. Technologie bedeutet das Anwenden von Wissen in technischen Prozessen, also zur Herstellung von Produkten. Was kann also so besonders sein an etwas was man fast nicht wahrnehmen kann und wie kann man daraus Produkte herstellen, für die extreme Zuwachsraten in der Zukunft vorhergesagt werden?

Beschleunigt und teilweise sogar erst ermöglicht wurde die Entwicklung der Nanotechnologie durch die Möglichkeiten der Rastertunnel- bzw. Rastersondenmikroskopie die Mitte der 80 Jahre des vergangenen Jahrhunderts von IBM entwickelt wurde. Damit ist es möglich nicht nur einzelne Atome "sichtbar" zu machen sondern sie auch mit speziell ausgerüsteten feinsten Spitzen zu manipulieren.

Nicht zu verwechseln ist die Nanotechnologie mit den Nanowissenschaften, also dem Studium nanoskalig aufgebauter Systeme, die Basis für zukünftige Produkte und Verfahren sein können. Dazu gehören zum Beispiel auch viele biologische Systeme, die in ihren Funktionseinheiten sicher nanoskalig aufgebaut sind (Beispiel DNA), die Grundlage des Lebens sind.

Größenabhängige Eigenschaften von Nanomaterialien

Übersicht Größenabhängigkeit ausgewählter Eigenschaften von nanostrukturierten Materialien
© Fraunhofer ISC

Übersicht Größenabhängigkeit ausgewählter Eigenschaften von nanostrukturierten Materialien

Ein wesentlicher Grund warum NT für technische Entwicklungen so interessant erscheint, ist dass sich Eigenschaften von Materialien im Nano-Bereich durch Größe und Form (Partikel, Faser, Plättchen) eines Objektes ändern – ein Verhalten, welches aus der makroskopischen Welt nicht bekannt ist. Für Werkstoffentwicklungen bieten sich damit sehr interessante Möglichkeiten, da neben dem molekularen Aufbau sowie der Zusammensetzung auch die Größe/Form der Untereinheiten als zusätzlicher Parameter für die Modulierung von Eigenschaftskombinationen zur Verfügung steht.

Gelten in der Nanowelt also andere Gesetze? Nein, auch hier haben alle physikalischen und chemischen Gesetzmäßigkeiten Bestand. Sie werden lediglich angewandt auf mesoskopische Systeme, die zwischen atomaren/molekularen und makroskopischen Systemen anzusiedeln sind. Nanoskalige Systeme werden daher oft auch als mesoskopisch bezeichnet.

Zunehmender Einfluss der Oberflächenatome

Atome an der Oberfläche eines Pt-Partikels in Abhängigkeit der Teilchengröße und Zunahme der spezifischen Oberfläche
© Fraunhofer ISC

Atome an der Oberfläche eines Pt-Partikels in Abhängigkeit der Teilchengröße und Zunahme der spezifischen Oberfläche

Die Anzahl von Atomen eines Materials, die sich an dessen Oberfläche befinden, nimmt bei sinkenden Partikelgrößen sehr stark zu. So sind im Extremfall eines 2 nm großen Platinpartikels mehr als 50 Prozent aller Atome an der Oberfläche/Grenzfläche zu finden (Abb. 1.6) und die spezifische Oberfläche des Partikels steigt stark an. Auch die inneren Grenzflächen von Bulkmaterialien, welche aus nanoskaligen Körnern aufgebaut sind wie  z. B. nanoskalige Keramiken oder Metalle bestimmen wesentlich das Verhalten von nanostrukturierten Werkstoffen.

Da Oberflächenatome weniger Nachbarn als solche im Inneren des Materials haben, besitzen diese eine höhere Energie und sind damit reaktiver. Dies äußert sich in der Erniedrigung des Schmelzpunktes, thermodynamisch stabilen Zwischenphasen oder macht sich auch durch eine erhöhte katalytische Aktivität der Materialien bemerkbar.

Veränderung optischer Eigenschaften durch Konfinement (Bewegungseinschränkung) der Ladungsträger

Abhängigkeit der Bandstruktur von Halbleitern und Metallen als Funktion der Größe
© Fraunhofer-ISC

Abhängigkeit der Bandstruktur von Halbleitern und Metallen als Funktion der Größe

Beispiel für optische Eigenschaften unterschiedlicher großer Quantum-Dots (Halbleiter Nanopartikel): Fluoreszenzemission
© S. Logothetidis (2012)

Beispiel für optische Eigenschaften unterschiedlicher großer Quantum-Dots (Halbleiter Nanopartikel): Fluoreszenzemission

Auch die elektronischen Verhältnisse von Metallen und Halbleitern hängen sehr stark von der Systemgröße ab (Abb. links). So sind bei Molekülen diskrete Molekülorbitale mit definierten LUMO- (lowest unoccupied molecular orbital) und HOMO- (highest occupied molecular orbital) Zuständen bestimmend. Bei steigender Molekülgröße z. B. bei Clustern treten weitere Energiezustände auf und bei Halbleitern wird die Bandlücke kleiner. Eine noch weitere Zunahme der Systemgröße führt zu den bekannten Energiezuständen z. B. von Halbleitern oder Metallen. Im nanoskaligen Zwischenbereich zwischen atomaren und makroskopischen Zuständen können also optische Eigenschaften gezielt geändert werden. Dies macht sich z. B. in der Absorption (Farbe) bzw. Fluoreszenz von Halbleiterpartikeln (Quantum dots) bemerkbar. Das Konfinement, also die Begrenzung der Ladungsträgerbewegung in Nanostrukturen, wie in dünnen Filmen, Drähten oder in allen drei Raumrichtungen bei Nanopartikeln, ist Basis für viele Anwendungen nanoskaliger Systeme in der Optik (Laser, Biosensoren etc.).