Nanotechnologie, Nanotechnik, Nanowissenschaften

Nanotechnik ist ein modernes Gebiet naturwissenschaftlicher Forschung an der Schnittstelle zwischen Physik, Chemie und Molekularbiologie, das sich mit der Erforschung und Manipulation von Eigenschaften und Funktionen von Materie im Nanometerbereich befasst. Dieser reicht von etwa 1nm, das sind entsprechend wenige Atomdurchmesser bis zu etwa 100 nm, den kleinsten Abmessungen von Bauelementen auf hochintegrierten Chips der heutigen Mikroelektronik. Zu den Zielen der Nanotechnologie gehören, z.B. die Herstellung neuartiger Materialien und Werkstoffe, die Entwicklung neuer Methoden zur extrem dichten und effizienten Datenspeicherung, die Entwicklung künstlicher Nanomaschinen, die den in Zellen von Lebewesen arbeitenden natürlichen nachempfunden sind, sowie neue Funktionseinheiten bis hin zu hochintegrierten komplexen Systemen. Die Nanotechnologie gilt als eine der Schlüsseltechnologien der kommenden Jahrzehnte.

Nanotechnologie Bilder im medicalpicture Bildarchiv

Mikrofotos von Siliciumdioxid, einem Mikromotor in der Arterie, Virenzerstörung durch Nanoroboter, Illustrationen der Nanotechnologie bei der Krebstherapie. Nanobots bei der Reparatur von Nerven.

Herstellungsmethoden

Praktisch erschlossen wurde das Gebiet der Nanotechnologie einerseits durch die ständige Verfeinerung der vorwiegend physikalischen Herstellungsmethoden der Mikroelektronik, die die Miniaturisierung zu immer kleineren Strukturen beinhaltet. Diese Methoden erlauben es heute, auf der Basis lithographischer Verfahren verschiedenste Materialien bis hin zu mesoskopischen Abmessungen von wenigen Nanometern gezielt zu strukturieren. Andererseits gestatten Verfahren der synthetischen und supramolekularen Chemie in zunehmendem Maße die Herstellung komplexer Moleküle bis zu makromolekularen Einheiten. Dabei werden aus der Biochemie entwickelte Methoden der molekularen Erkennung und Selbstorganisation mit klassischen chemischen Synthesestrategien kombiniert, sodass man heute z.B. anorganische Nanopartikel ebenso wie DNA-Moleküle maßgefertigt kaufen.

Nanotechnik und Oberflächenstruktur

Viele der in den Nanowissenschaften genutzten Fertigungsverfahren werden erst durch hochpräzise Mess- und Charakterisierungstechniken möglich. Ein breites Spektrum von Oberflächen abtastenden Rastersondenverfahren (Rastermikroskope) kann heute Oberflächenstrukturen mit Details unter 1nm wiedergeben. Diese Verfahren können z.B. mit abbildender optischer Mikroskopie, Elektronen- und Röntgenmikroskopie sowie mit auf Beugung beruhenden Strukturaufklärungsverfahren mittels Photonen, Elektronen, Neutronen und Atomen kombiniert werden. Auch der Einsatz lokaler Sonden, wie z.B. in der Fluoreszenz- und NMR-Spektroskopie verschafft Einblick in deren nanodimensionierte Umgebung, da die physikalischen Eigenschaften solcher Sonden von der räumlichen Umgebung messbar beeinflusst werden.

Nanosysteme in der Pharmakologie, Biologie und Medizin

Nanotechnologische Verfahren werden auch beim Informationsaustausch zwischen Lebewesen und Maschinen zunehmend eine wichtigere Rolle spielen. Beispielsweise ist eine lokale und schnelle biochemische Analyse am Patienten, die durch miniaturisierte Laborsysteme auf einem Biochip angestrebt wird, ebenso weitgehend auf nanotechnologische Entwicklungen angewiesen wie eine aktive Prothetik, in der Nervenzellen mit sensorischen und motorischen Elementen direkt verknüpft werden. Noch weiter in die Zukunft blickend, erscheint es möglich, dass mithilfe der Nanotechnolgie in Nachahmung natürlicher Viren und molekularer Motoren kleine Sonden entwickelt werden können, die pharmakologische Substanzen gezielt an den Ort ihrer gewünschten Bestimmung bringen.

Ursprung der Nanotechnologie

Als Vater der Nanotechnologie gilt Richard Feynman auf Grund seines im Jahre 1959 gehaltenen Vortrages "There's Plenty of Room at the Bottom" (Ganz unten ist eine Menge Platz), auch wenn der Begriff Nanotechnologie erst 1974 von Norio Taniguchi erstmals gebraucht wurde:

'Nano-technology mainly consists of the processing of separation, consolidation, and deformation of materials by one atom or one molecule.'

Nanotechnologie im Sinne dieser Definition ist die Veränderung von Materialien Atom für Atom oder Molekül für Molekül. Das schließt ein dass die kritische Eigenschaften von Materialien oder Geräten im Nanometerbereich liegen können, und dass diese Materialien und Geräte aus einzelnen Atomen bzw. Molekülen konstruiert werden. Heute wird Nanotechnologie aber nur noch selten in diesem engen Sinn benutzt, heute schließt man wie oben erläutert auch die Herstellung von Nanomaterialien auf chemischem Wege in diesen Begriff mit ein.

Entwicklung der Nanotechnologie

Unabhängig von Taniguchi machte 1986 K. Eric Drexler den Begriff weithin bekannt. Er inspirierte mit seinem Buch Engines of Creation viele heutzutage bekannte Wissenschaftler, darunter auch Richard E. Smalley, dazu, Nanotechnologie zu studieren. Drexlers Definition von Nanotechnologie ist strenger als die Taniguchis: Sie beschränkt sich auf die Konstruktion von komplexen Maschinen und Materialien aus einzelnen Atomen. Nach dieser Definition fällt die heutige Nanotechnologie also nicht unter das, was Drexler als Nanotechnologie ansieht. Dies veranlasste Drexler im Verlauf der 90er Jahre dazu, seine Vorstellung von Nanotechnologie zur Abgrenzung in Molekulare Nanotechnologie (MNT) umzubenennen, denn vielfach wurde und wird der Begriff zur Bezeichnung aller Arbeiten verwandt, die sich mit Nanostrukturen befassen, auch wenn dabei gewöhnliche chemische, pharmazeutische oder physikalische Methoden verwendet werden. Tatsächlich stehen derzeit viele Wissenschaftler Drexlers Vision von Nanotechnologie offen ablehnend gegenüber. Wenn es auch nach Ansicht der Verfechter der MNT ihren Gegnern bisher nicht gelungen ist, überzeugende wissenschaftliche Argumente gegen die Umsetzbarkeit von MNT vorzubringen, halten viele doch die Machbarkeit für wenig wahrscheinlich, auch wenn Drexler mit Nanosystems 1991 ein Lehrbuch zu MNT herausgegeben hat, das auf Basis seiner Doktorarbeit am MIT in wissenschaftlicher Form die zu ihrer Verwirklichung nötigen Schritte beschreibt. Über die Jahre wurden zwar einige Annahmen Drexlers experimentell bestätigt, doch es bleiben viele Vorbehalte, die einer Verwirklichung entgegenstehen: Selbst wenn es gelänge, beispielsweise einen Nanomotor aus Metall herzustellen, wäre er nicht lange funktionsfähig: schon der Wasserfilm, der aufgrund der Adsorption von Luftfeuchtigkeit an der Metalloberfläche entsteht, würde den Motor lahmlegen. Metalle wie Eisen, Stahl oder Aluminium bilden an Luft einen dünnen Oxidfilm, der bei gewöhnlichen Werkstücken nicht stört. Die Oxidation von Nanometallen führt aber in der Regel zur vollständigen Umwandlung in das Oxid. Ein Nanomotor aus Metall würde also durch Luftsauerstoff quasi verbrannt.

Weblinks

Kompetenzzentrum HanseNanoTec
Programmatische Rede von Richard Feynman aus dem Jahr 1959 zur Nanotechnologie
Informationsportal Nanotechnologie: Einführung, Forscher, aktuelle Meldungen u.a.
Wise-Nano. Ein Wiki-Projekt für molekulare Nanotechnologie
Nanotechnologie Initiative der USA mit Berichten aus der Forschung
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung und der VDI informieren über Nanotechnologie.
Foresight Institute
NASA Nanotechnologie Gallery
Auszüge basieren auf dem Artikel Nanotechnologie aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar

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