Microgitarre und Nanotechnologie

Nanotechnologie

Es stellt sich als ziem­lich schwie­ri­ges Unter­fan­gen dar, den Begriff der Nano­tech­no­lo­gie zu defi­nie­ren, da um sich zum Hype zuge­hö­rig dar­zu­stel­len, so vie­le ver­schie­de­ne Unter­neh­mun­gen und Vor­ha­ben mit der Vor­sil­be Nano ver­se­hen werden.

Letzt­end­lich ist Nano­tech­no­lo­gie auch ein über­grei­fen­der Begriff, in dem sich die Inter­dis­zi­pli­na­ri­tät natur­wis­sen­schaft­li­cher For­schung in der Phy­sik, der Che­mie, der Bio­lo­gie oder auch der Medi­zin aus­drückt, ins­be­son­de­re wenn es um die Erfor­schung nano­ska­li­ger Effek­te in die­sen Wis­sen­schaf­ten geht. Ander­seits umfasst der Begriff der Nano­tech­no­lo­gie als imma­nen­ten Wort­be­stand­teil natür­lich auch das tech­no­lo­gi­sche Gebiet, in dem es um die Anwen­dung nano­ska­li­ger Effek­te in ver­schie­de­nen Berei­chen der Indus­trie geht. Visio­nä­re gehen auch noch einen Schritt wei­ter und ver­ste­hen unter Nano­tech­no­lo­gie das Bau­en mit ato­ma­ren und mole­ku­la­ren Bau­ma­te­ria­li­en unter Nut­zung nano­ska­li­ger Werk­zeu­ge und Auto­ma­ten zur Her­stel­lung makro­sko­pi­scher Pro­duk­te, das mole­ku­la­re Manu­fac­tu­ring, des­sen füh­ren­der Visio­när Eric Drex­ler ist. Für sei­ne Jün­ger ist der Begriff Nano­tech­no­lo­gie grund­sätz­lich nur auf die­se The­ma­tik eingegrenzt.

Ander­seits ist es nicht immer rich­tig von Nano­tech­no­lo­gie zu spre­chen, nur weil die kleins­ten Struk­tu­ren eines Pro­duk­tes nano­ska­li­ge Aus­ma­ße haben, denn mit der Nano­tech­no­lo­gie wird das Ziel ver­bun­den, mit der Nano­ska­lig­keit neue Eigen­schaf­ten und Funk­tio­nen von Pro­duk­ten zu erlangen.

Um dies kurz zu erläu­tern, wer­den die Ansät­ze zur Her­stel­lung nano­ska­li­ger Ein­hei­ten, der Top-Down-Ansatz sowie der Bot­tom-Up-Ansatz, benutzt.
Der Bot­tom-Up-Ansatz ver­folgt auf der Grund­la­ge der Zusam­men­set­zung kleins­ter Ein­hei­ten wie Ato­me und Mole­kü­le den Auf­bau neu­er grö­ße­rer Struk­tu­ren, mit neu­en Eigen­schaf­ten. Dies geschieht in der Natur durch Selbst­or­ga­ni­sa­ti­ons­pro­zes­se von bio­lo­gi­schen Grund­ma­te­ria­li­en wie Pro­te­inen zu Zel­len und schließ­lich zur neu­en Qua­li­tät des Lebens bis hin zum den­ken­den Men­schen. Das Ziel des ato­ma­ren Manu­fac­tu­ring beruht eben­so auf die­sem Ansatz, denn aus ato­ma­ren und mole­ku­la­ren Bau­stei­nen wer­den durch eine neue Qua­li­tät des Inge­nieur­we­sens in Form nano­ska­li­ger Werk­zeu­ge neu­ar­ti­ge Pro­duk­te her­ge­stellt, die in ihrer Form und ihren Eigen­schaf­ten vor­her nicht von der Natur gebaut wur­den, aber eben­so nicht von der bis­he­ri­gen Bulk­tech­no­lo­gie des Men­schen. Der Begriff Bulk­tech­no­lo­gie bezeich­net dabei im Prin­zip das Her­aus­schnit­zen eines Pro­duk­tes aus einem makro­sko­pi­schen Grund­bau­stein, wie es mit dem Faust­keil aus einem gro­ßen Stein gesche­hen ist, aber wie es auch mit der Ver­ede­lung von Roh­stof­fen in der Che­mie- und Stahl­in­dus­trie oder mit Litho­gra­fie­ver­fah­ren in der Mikro­elek­tro­nik rea­li­siert wird. Ist eines der Merk­ma­le, Ein­satz neu­ar­ti­ger nano­ska­li­ger Werk­zeu­ge oder neu­ar­ti­ger Pro­duk­te erfüllt, ist der Begriff Nano­tech­no­lo­gie gerecht­fer­tigt. Als Werk­zeu­ge wer­den bei den Visio­nä­ren des mole­ku­la­ren Manu­fac­tu­ring nano­ska­li­ge Auto­ma­ten, die sich selbst repro­du­zie­ren kön­nen, die so genann­ten Repli­ka­to­ren eingesetzt.

Der Top-Down-Ansatz geht grund­sätz­lich den Weg der Bulk­tech­no­lo­gie. Er ver­wen­det dabei wie­der­um makro­sko­pi­sche Mate­ria­li­en und Werk­zeu­ge und stellt dar­aus immer klei­ne­re Struk­tu­ren bis hin zu nano­ska­li­gen Ein­hei­ten her. Dies kön­nen Nano­par­ti­kel sein, deren Ein­satz die Her­stel­lung von Pro­duk­ten mit neu­en Eigen­schaf­ten begrün­det, aber zum Bei­spiel auch die Her­stel­lung von neu­en Com­pu­ter­ar­chi­tek­tu­ren, bei denen bewusst mit quan­ten­me­cha­ni­schen Effek­ten gear­bei­tet wird.

Wird aber mit Litho­gra­phie­ver­fah­ren in der Infor­ma­ti­ons­tech­nik der Tran­sis­tor immer klei­ner gebaut, zuerst in Mikro­me­ter­struk­tu­ren und der damit ver­bun­de­nen Mikro­elek­tro­nik und dann in Struk­tur­grö­ßen von eini­gen 10 Nano­me­ter, ist es schwie­rig von Nano­tech­no­lo­gie zu spre­chen. Hier­bei geht es nicht um neue Eigen­schaf­ten, son­dern vor­ran­gig um die Minia­tu­ri­sie­rung bei der Jagd nach einer höhe­ren Anzahl von Tran­sis­to­ren auf dem Chip. Quan­ten­me­cha­ni­sche Effek­te in die­sen Grö­ßen­ord­nun­gen wer­den noch als stö­ren­de Effek­te und nicht als neue nütz­li­che Eigen­schaf­ten betrach­tet. Es exis­tiert hier zwar der Begriff Nano­elek­tro­nik, doch es ist kri­tisch zu hin­ter­fra­gen, wo es sich wirk­lich um Nano­tech­no­lo­gie handelt.

Ganz anders wie­der­um stellt sich die Sache in der Quan­ten­in­for­ma­tik und der Quan­ten­kryp­t­ho­gra­fie dar, die bewusst auf Effek­te der Quan­ten­me­cha­nik setzt und neue Archi­tek­tu­ren für die Infor­ma­ti­ons- und Kom­mu­ni­ka­ti­ons­tech­no­lo­gie ent­wi­ckeln will.
Um die Ein­ord­nung ein wenig zu erleich­tern, soll hier eine sinn­vol­le Defi­ni­ti­on aus der Bro­schü­re „Nano­tech­no­lo­gie erobert Märk­te“ des Bun­des­mi­nis­te­ri­ums für Bil­dung und For­schung aus dem Jah­re 2004 zitiert werden.

Nano­tech­no­lo­gie beschreibt die Her­stel­lung, Unter­su­chung und Anwen­dung von Struk­tu­ren, mole­ku­la­ren Mate­ria­li­en, inne­ren Grenz- und Ober­flä­chen mit min­des­tens einer kri­ti­schen Dimen­si­on oder mit Fer­ti­gungs­to­le­ran­zen typi­scher­wei­se unter 100 Nano­me­ter. Ent­schei­dend ist dabei, dass allein die Nano­ska­lig­keit der Sys­tem­kom­po­nen­ten neue Funk­tio­na­li­tä­ten und Eigen­schaf­ten zur Ver­bes­se­rung bestehen­der oder Ent­wick­lung neu­er Pro­duk­te und Anwen­dungs­op­tio­nen resul­tie­ren. Die­se neu­en Effek­te und Mög­lich­kei­ten sind über­wie­gend im Ver­hält­nis von Ober­flä­chen- zu Volu­men­ato­men und im quan­ten­me­cha­ni­schen Ver­hal­ten der Mate­rie­bau­stei­ne begründet.“

Die­se Defi­ni­ti­on zeigt natür­lich, wie schwie­rig es ist, bei der Nano­tech­no­lo­gie von einem Fach­ge­biet zu spre­chen, ist es doch eher ein Ober­be­griff über ver­schie­de­ne tech­ni­sche und wis­sen­schaft­li­che Richtungen.
Nano­tech­no­lo­gie ver­folgt ers­tens das Anlie­gen, nano­ska­la­re Struk­tu­ren aus der Natur und ihre Eigen­schaf­ten zu unter­su­chen, um Ideen für deren Ein­satz im mensch­li­chen Leben zu fin­den. Unter­sucht wer­den phy­si­ka­li­sche und che­mi­sche Eigen­schaf­ten, Selbst­or­ga­ni­sa­ti­ons­pro­zes­se, aber auch die Wir­kungs­wei­se der Bau­stei­ne des Lebens, der Zel­len, sowie die Fort­pflan­zungs­me­cha­nis­men mit­tels der DNA. Ent­spre­chen­de Unter­su­chungs­me­tho­den las­sen sich unter dem Begriff Nano­ana­ly­tik sam­meln. Um die Vor­gän­ge in die­sen Maß­stä­ben dem Men­schen sicht­bar zu machen, ste­hen ent­spre­chen­de Mikro­sko­pie­ver­fah­ren und Spek­tro­sko­pie­ver­fah­ren zur Ver­fü­gung. Ins­be­son­de­re schu­fen G. Bin­ning und H. Rohrer 1982 mit der Ent­wick­lung des Ras­ter­tun­nel­mi­kro­sko­pes (STM: Scan­ning Tun­nel­ing Micro­sco­py), wofür sie 1986 den Nobel­preis erhiel­ten, sowie mit der Wei­ter­ent­wick­lung zum Ras­ter­kraft­mi­kro­skop (AFM: Ato­mic Force Micro­sco­py) die Grund­la­ge ato­ma­re Struk­tu­ren abbil­den und mani­pu­lie­ren zu können.
Nano­tech­no­lo­gie beschäf­tigt sich zwei­tens mit der Her­stel­lung nano­ska­li­ger Pro­duk­te, wobei hier die Band­brei­te von Nano­par­ti­keln, Nano­clus­tern, Quan­ten­punk­ten bis hin zu kom­plet­ten nano­ska­li­gen Archi­tek­tu­ren reicht.

Hier­bei wer­den wie­der­um phy­si­ka­li­sche, che­mi­sche und bio­lo­gi­sche Ver­fah­ren ein­ge­setzt. Als phy­si­ka­li­sche Metho­den zur Her­stel­lung von Nano­par­ti­keln wer­den zum Bei­spiel ver­schie­de­ne Gas­pha­sen­me­tho­di­ken, sowie Laser- und Elek­tro­nen­strahl­ver­fah­ren im Vaku­um bis hin zu mecha­ni­schen Ver­fah­ren ein­ge­setzt. Eben­so steckt in bio­lo­gi­schen Selbst­or­ga­ni­sa­ti­ons­pro­zes­sen viel Lern­po­ten­ti­al für den Men­schen bei der Her­stel­lung kom­ple­xer makro­sko­pi­scher Ein­hei­ten aus nano­ska­li­gen Bau­stof­fen. Es gilt die Funk­ti­ons­wei­se der Zel­len sowie den Repro­duk­ti­ons­pro­zess über die DNA zu erkunden.

Das Team um Eric Drex­ler wie­der­um ver­folgt mit dem mole­ku­la­ren Manu­fac­tu­ring den Weg der Her­stel­lung von makro­sko­pi­schen Struk­tu­ren mit­tels nano­ska­li­ger Werk­zeu­ge und Auto­ma­ten sowie eines Schlei­fen­pro­zes­ses der Reproduktion.

Um die­se Pro­zes­se über­wa­chen und rea­li­sie­ren zu kön­nen, wer­den wie­der­um Ana­ly­se­ge­rä­te sowie ent­spre­chen­de Werk­zeu­ge benö­tigt, wie schon im The­men­ge­biet Unter­su­chungs­me­tho­den aus­ge­führt. Damit ord­nen sich Auf­ga­ben zur Her­stel­lung von Ana­ly­se­ge­rä­ten sowie von Werk­zeu­gen im nano­ska­la­ren Manu­fac­tu­ring auch unter der brei­ten The­ma­tik Nano­tech­no­lo­gie ein.
Nano­tech­no­lo­gie beschäf­tigt sich drit­tens mit der Anwen­dung von nano­ska­la­ren Struk­tu­ren. Die Anwen­dungs­be­rei­che zie­hen sich dabei quer durch alle klas­si­schen Indus­trie­fel­der. Ein­satz­ge­bie­te fin­den sich in der Ana­ly­tik, der Medi­zin (z.B. bei der Ver­bes­se­rung tomo­gra­fi­scher Bild­ge­bungs­ver­fah­ren), in der Optik, der Che­mie (ins­be­son­de­re auch in der Phar­ma­zie), in der Mate­ri­al­for­schung bei der Ent­wick­lung neu­er Mate­ria­li­en, der Ener­gie- und Umwelt­tech­nik, in der Infor­ma­ti­ons­tech­nik und der Elektronik.

Doch geht es nicht nur um die Anwen­dung nano­ska­la­rer Struk­tu­ren, son­dern auch um den Auf­bau kom­plet­ter, neu­er nano­ska­li­ger Archi­tek­tu­ren. Zum Bei­spiel geht es bei der Ent­wick­lung einer neu­en Com­pu­ter­ar­chi­tek­tur um die Aus­nut­zung quan­ten­me­cha­ni­scher Effek­te. Dafür steht der Begriff Quanteninformatik.

In einer umfas­sen­der defi­nier­ten Nano­elek­tro­nik außer­halb der klas­si­schen Sili­zi­um­tech­no­lo­gie geht es dar­um, auf Grund­la­ge bio­lo­gi­scher Prin­zi­pi­en Bau­ele­men­te mit Spei­cher- und Ver­ar­bei­tungs­ele­men­ten im Mole­kül­maß­stab herzustellen.

Win­zi­ge Gerä­te mit nano­ska­li­gen Pum­pen, Moto­ren, Ven­ti­len, Sen­so­ren und Akto­ren kön­nen in Nano­ge­rä­ten und Nano­ro­bo­tern in der Medi­zin Anwen­dung fin­den, wenn es dar­um geht, Medi­ka­men­te im Kör­per an genau die rich­ti­gen Stel­len zu brin­gen, ohne den Kör­per mas­siv den Neben­wir­kun­gen eines Medi­ka­ments aus­zu­set­zen; oder um den Kör­per non-inva­siv zu unter­su­chen und zu heilen.

Letzt­end­lich besteht die Visi­on Mini­fa­bri­ken auf­zu­bau­en, in der jede Art von Pro­dukt mit nano­ska­li­gen Bau­tei­len durch Nano­ro­bo­ter zusam­men­ge­setzt wer­den kann.
Die­se kur­ze Zusam­men­fas­sung hat kei­nen Anspruch auf Voll­stän­dig­keit und stellt nur den Ein­druck des Autors nach den ers­ten Mona­ten der Beschäf­ti­gung mit die­ser The­ma­tik dar. Unter­stüt­zend soll des­halb noch ein Zitat von Prof. Uwe Hart­mann aus „Nano­bio­tech­no­lo­gie — Eine Basis­tech­no­lo­gie des 21. Jahr­hun­derts“ folgen.
Die Nano­tech­no­lo­gie ist eine Quer­schnitts­tech­no­lo­gie mit hohem Inno­va­tions- und Anwen­dungs­po­ten­ti­al. Kurz­fris­tig ist sicher­lich im Sin­ne obi­ger Aus­füh­run­gen mit einem star­ken Ein­fluss auf Ent­wick­lun­gen in Bio- und Gen­tech­no­lo­gie, Mikro­elek­tro­nik und Werk­stoff­tech­no­lo­gie zu rech­nen. Mit­tel­fris­tig wird die Nano­tech­no­lo­gie nam­haft zur Lösung von Pro­ble­men mit Quer­schnitts­cha­rak­ter in den Bereichen

  • Öko­lo­gie
  • Kreis­lauf­wirt­schaft
  • Res­sour­cen­scho­nung
  • Ener­gie­er­zeu­gung und ‑spei­che­rung
  • Gesund­heits­we­sen
  • Pro­zess­si­cher­heit
  • Infor­ma­ti­on und Kommunikation

bei­tra­gen. Lang­fris­tig sind dann durch gänz­lich neue Funk­tio­nen gekenn­zeich­ne­te Pro­duk­te mit erheb­li­chen Impli­ka­tio­nen für den Arbeit­markt des ein­und­zwan­zigs­ten Jahr­hun­derts zu erwarten.

Für die Nano­bio­tech­no­lo­gie bedeu­ten die­se Pro­gno­sen zur Ent­wick­lung der Nano­tech­no­lo­gie all­ge­mein, dass lang­fris­tig wirk­li­che nano­bio­tech­no­lo­gi­sche Pro­duk­te, wie etwa aus bio­lo­gi­schen Bau­stei­nen auf­ge­bau­te Nano­ma­schi­nen, bio­elek­tro­ni­sche Kom­po­nen­ten sowie all­ge­mein bio­lo­gi­sche Kom­po­nen­ten zur Infor­ma­ti­ons­ver­ar­bei­tung zu einer Ablö­sung heu­te eta­blier­ter Indus­trien füh­ren wer­den. Auch gänz­lich neue Ver­fah­ren der Nano- oder Mole­ku­lar­me­di­zin sowie höchst­in­te­grier­te Bio­chip-Tech­no­lo­gien sind eher lang­fris­ti­ge, aber bezüg­lich ihres Umfan­ges umso rele­van­te­re Per­spek­ti­ven anzu­se­hen. Bereits mit­tel­fris­tig ist mit erheb­li­chen Märk­ten in den Berei­chen bio­mime­ti­sche, bio­kom­pa­ti­ble und bio­kom­po­nier­te Mate­ria­li­en, Bio­ka­ta­ly­se, Bio­sen­so­rik und Nano­bio­phar­ma­zie zu rech­nen. Kurz­fris­tig hin­ge­gen dürf­te die wesent­li­che Bedeu­tung nano­bio­tech­no­lo­gi­scher Ent­wick­lun­gen dar­in bestehen, dass sie bereits vor­han­de­ne Zulie­fer­märk­te, etwa für all­ge­mei­ne Mess­tech­nik, für Laser­tech­no­lo­gie, für Mikro­elek­tro­nik und Mikro­sys­tem­tech­nik und auch für bio­kom­pa­ti­ble Mate­ria­li­en stark sti­mu­lie­ren bzw. gänz­lich neu defi­nie­ren. Die­ser Effekt ist in sei­ner wirt­schaft­li­chen Bedeu­tung kei­nes­wegs zu unterschätzen.“

Janu­ar 2005, copy­right by Andre­as Kießling

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