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Nanotechnologie
In aller Kürze
Nanotechnologie ist eine Querschnittstechnologie, von der eine Vielzahl verwandter Bereiche und Anwendungen profitieren. Sie befasst sich mit nanoskaligen Strukturen, Materialien und deren Eigenschaften. Anwendung findet sie bspw. in der Oberflächenbeschichtung, der Material- und Zusatzstoffherstellung, der Energietechnik oder der Medizin.
Ethymologie
Die Vorsilbe Nano könnte inhaltlich nicht treffender sein, bedeutet sie doch aus dem Griechischen übersetzt schlicht und ergreifend Zwerg und kennzeichnet den Milliardsten-Teil von etwas: 10-9.
Der Zwerg unter den Maßeinheiten bezeichnet also etwas, das so klein ist, das es weder mit bloßem Auge noch mit konventionellen Mikroskopen betrachtet werden kann. Verbunden mit Technologie, die Anwendung von Wissen in technischen Prozessen, bedeutet das die Produktherstellung im Minimalstbereich. Erst Mitte der 80er des 20. Jahrhunderts wurde von IBM die Rastertunnel- bzw. Rastersondenmikroskopie entwickelt, die die Nanotechnologie erst möglich machte: Es können einzelne Atome sichtbar gemacht und sogar mit speziell ausgerüsteten Spitzen manipuliert werden.
Was macht Nanotechnologie so interessant für neue technische Entwicklungen?
Um diese Frage zu beantworten muss, man sich die Eigenschaften von Materialien genauer anschauen. Sobald Materialien im Nanometer-Bereich skaliiert werden, werden ihre Eigenschaften mehr und mehr durch ihre geringen Ausmaße bestimmt, da die Oberflächen im Verhältnis zum Volumen einen größeren Anteil einnimmt. Gerade für Werkstoffentwicklungen eröffnen sich damit viele Möglichkeiten, da neben dem molekularen Aufbau und der Zusammensetzung auch Größe/Form der Untereinheiten als weiterer Modulationsparamater für Eigenschaftskombinationen zur Verfügung steht.
Nanotechnologie in der Anwendung
Viele Oberflächen sind mit funktionellen Schichten in dieser Größenordnung versehen, da sich die Eigenschaften vieler Materialien, wenn sie in die Dimension von wenigen Nanometern gebracht werden, ändern. Es ändern sich z. B. die elektrischen Eigenschaften von Halbleitermaterialien, wenn sie auf Nanogröße Anwendung finden, da die Ladungsträger in ihrer Bewegung eingeschränkt werden. Bei Molekülen bilden sich diskrete Molekülorbitale mit definierten Zuständen aus. Steigt die Molekülgröße, wie z. B. bei Clustern, so treten weitere Energiezustände auf, während bei Halbleitern die Bandlücke kleiner wird. Nimmt die Systemgröße weiter zu, so führt das zu den bekannten Energiezuständen von Halbleitern oder Metallen. Im nanoskaligen Zwischenbereich können optische Eigenschaften gezielt geändert werden, was sich z. B. bei Halbleiterpartikeln wie Quantum Dots in der Absorption bzw. Fluoreszenz bemerkbar macht. In dünnen Filmen oder Drähten ist die Begrenzung der Ladungsträgerbewegung in Nanostrukturen die Basis für viele Anwendungen nanoskaliger Systeme in der Optik, wie Laser oder Biosensoren.
Durch die Erkenntnisse der Forschung auf dem Gebiet der Nanotechnologie lassen sich nanoskalige Schichten kontrollierter und akurater herstellen; das gilt auch für Partikel in Nanogröße. Die Wechselwirkung ist bei Letzteren nicht nur in der Anwendung bei Produkten von Interesse. Eingesetzt in medizinische Anwendungen im und am menschlichen Körper, zum Beispiel als Salben oder in Target-Protein funktionalisierten Partikeln kann Nanotechnologie immer gezielter für Bildgebung oder Behandlung eingesetzt werden.
Anwendungsfelder
Automotive
Bauindustrie
Chemie
Energie
Elektronik
Medizin
Optik
Umwelt
Verbraucher
Nanotechnologie verbindet
In der Nanotechnologie arbeiten Wissenschaft und Industrie Hand in Hand. Die komplexen Eigenschaften der nanoskaligen Materialien werden im wissenschaftlichen Umfeld gründlich untersucht und für die Anwendung erschlossen. Dieses Wissen um die Verbesserung bestimmter Eigenschaften wird dann in verschiedenste Anwendungen übertragen. Die Herstellungsverfahren werden schließlich in der Industrie (weiter-)entwickelt und führen zu modernen High-Tech Produkten.
Moderne Elektronik ist aus winzigen Baueinheiten im Nanometerbereich aufgebaut und wäre ohne die verschiedenen Fertigungs- und Prüfverfahren der Nanotechnologie gar nicht denkbar. Nanochemie, ein wichtiger Teilbereich der Nanotechnologie, ist Chemie der Oberfläche. Nanostrukturierung von Oberflächen für katalytische und elektrische Prozesse beispielsweise in Brennstoffzellen und (Elektro-) Akkumulatoren können die Effizienz und Lebensdauer erheblich steigern. Durch die Funktionalisierung der Oberfläche mit biochemischen Markern können Nanopartikel für gezielte medizinische Behandlungen eingesetzt werden. Moderne Implantate sind mit keramischen Filmen überzogen, um eine gute Verträglichkeit und Annahme des Körpers zu sichern. Moderne Optiken profitieren von kratzfesten Beschichtungen, welche die optischen Eigenschaften nicht negativ beeinflussen. Auch sogenannte Bragg-Spiegel, ein optisches Bauelement, welches aus einem Stapel nanoskaliger Schichten besteht, wäre ohne die Nanotechnologie nicht herstellbar. In vielen Strukturwerkstoffen, Stählen und Legierungen aber auch Beton und Keramiken konnte durch das Analysieren und Verstehen des Zusammenwirkens der Komponenten auf Nanoebene wichtige Innovationen initiiert werden.