Nanotechnologie

Unten ist eine Menge Platz - Richard Feynman

Microgitarre und Nanotechnologie
Microgitarre, Creative Commons CC0 https://pixabay.com/de

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

Andreas Kießling
Über Andreas Kießling 44 Artikel
Andreas Kießling hat in Dresden Physik studiert und lebt im Raum Heidelberg. Er beteiligt sich als Freiberufler und Autor an der Gestaltung nachhaltiger Lebensräume und zugehöriger Energiekreisläufe. Dies betrifft Themen zu erneuerbaren und dezentral organisierten Energien. Veröffentlichungen als auch die Aktivitäten zur Beratung, zum Projektmanagement und zur Lehre dienen der Gestaltung von Energietechnologie, Energiepolitik und Energieökonomie mit regionalen und lokalen Chancen der Raumentwicklung in einer globalisierten Welt.

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