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Nanotechnologie

Autor: Leandro Alegsa

03-11-2020

Nanotechnologie ist ein Teil der Wissenschaft und Technologie, der sich mit der Kontrolle von Materie auf atomarer und molekularer Ebene befasst - also mit Dingen, die etwa 100 Nanometer Durchmesser haben.

Nanotechnologie umfasst die Herstellung von Produkten, die so kleine Teile verwenden, wie z.B. elektronische Geräte, Katalysatoren, Sensoren usw. Um Ihnen eine Vorstellung davon zu geben, wie klein das ist, gibt es in einem Zoll mehr Nanometer als in Zentimetern auf 400 Meilen.

Um eine internationale Vorstellung davon zu vermitteln, wie klein das ist, gibt es so viele Nanometer in einem Zentimeter, wie es Zentimeter in 100 Kilometern gibt.

Die Nanotechnologie bringt Wissenschaftler und Ingenieure aus vielen verschiedenen Bereichen zusammen, wie angewandte Physik, Materialwissenschaft, Grenzflächen- und Kolloidwissenschaft, Gerätephysik, Chemie, supramolekulare Chemie (was sich auf den Bereich der Chemie bezieht, der sich auf die nichtkovalenten Bindungswechselwirkungen von Molekülen konzentriert), selbstreplizierende Maschinen und Robotik, Chemieingenieurwesen, Maschinenbau, Biologie, Biotechnik und Elektrotechnik.

Wenn man von Nanotechnologie spricht, meint man im Allgemeinen Strukturen der Grösse von 100 Nanometern oder kleiner. Es gibt eine Million Nanometer in einem Millimeter. Die Nanotechnologie versucht, Materialien oder Maschinen dieser Größe herzustellen.

Die Menschen arbeiten auf dem Gebiet der Nanotechnologie auf viele verschiedene Arten. Die meisten aktuellen Arbeiten befassen sich mit der Herstellung von Nanopartikeln (Teilchen mit einer Größe im Nanometerbereich), die besondere Eigenschaften haben, wie z.B. die Art und Weise, wie sie Licht streuen, Röntgenstrahlen absorbieren, elektrische Ströme oder Wärme transportieren, usw. Am eher "Science-Fiction"-Ende des Feldes stehen Versuche, kleine Kopien von größeren Maschinen herzustellen oder wirklich neue Ideen für Strukturen, die sich selbst herstellen. Neue Materialien sind mit Strukturen im Nanobereich möglich. Es ist sogar möglich, mit einzelnen Atomen zu arbeiten.

Es gab viele Diskussionen über die Zukunft der Nanotechnologie und ihre Gefahren. Die Nanotechnologie könnte in der Lage sein, neue Materialien und Instrumente zu erfinden, die sehr nützlich wären, z.B. in der Medizin, bei Computern und bei der Erzeugung sauberer Elektrizität (nanoelektromechanische Systeme helfen bei der Entwicklung der nächsten Generation von Solarpaneelen und effizienter energiesparender Beleuchtung). Auf der anderen Seite ist die Nanotechnologie neu, und es könnte unbekannte Probleme geben. Zum Beispiel, wenn die Materialien schlecht für die Gesundheit der Menschen oder für die Natur sind. Sie können sich negativ auf die Wirtschaft oder sogar auf große natürliche Systeme wie die Erde selbst auswirken. Einige Gruppen argumentieren, dass es Regeln für den Einsatz der Nanotechnologie geben sollte.

Der Beginn der Nanotechnologie

Ideen der Nanotechnologie wurden zum ersten Mal in dem Vortrag "There's Plenty of Room at the Bottom" verwendet, einem Vortrag des Wissenschaftlers Richard Feynman bei einem Treffen der American Physical Society am 29. Dezember 1959 am Caltech. Feynman beschrieb eine Möglichkeit, einzelne Atome zu bewegen, um kleinere Instrumente zu bauen und in diesem Maßstab zu arbeiten. Eigenschaften wie die Oberflächenspannung und die Van-der-Wand-Kraft würden sehr wichtig werden.

Feynmans einfache Idee schien möglich. Das Wort "Nanotechnologie" wurde 1974 von Professor Norio Taniguchi von der Tokyo Science University in einem Aufsatz erläutert. Er sagte, dass die Nanotechnologie das Werk der Veränderung von Materialien durch ein Atom oder ein Molekül sei. In den 1980er Jahren wurde diese Idee von Dr. K. Eric Drexler untersucht, der über die Bedeutung von Ereignissen im Nanobereich sprach und schrieb. "Motoren der Schöpfung": The Coming Era of Nanotechnology" (1986) gilt als das willenstarke Buch zur Nanotechnologie. Nanotechnologie und Nanowissenschaften begannen mit zwei wichtigen Entwicklungen: dem Beginn der Clusterwissenschaft und der Erfindung des Rastertunnelmikroskops (STM). Bald darauf wurden neue Moleküle mit Kohlenstoff entdeckt - 1986 die ersten Fullerene und einige Jahre später die Kohlenstoff-Nanoröhren. In einer anderen Entwicklung wurde untersucht, wie man Halbleiter-Nanokristalle herstellen kann. Viele Metalloxid-Nanopartikel werden heute als Quantenpunkte (Nanopartikel, bei denen das Verhalten einzelner Elektronen wichtig wird) verwendet. Im Jahr 2000 begann die Nationale Nanotechnologie-Initiative der Vereinigten Staaten mit der Entwicklung der Wissenschaft auf diesem Gebiet.

Einstufung von Nanomaterialien

In der Nanotechnologie gibt es Nanomaterialien, die sich in ein-, zwei- und dreidimensionale Nanopartikel einteilen lassen. Diese Klassifizierung basiert auf verschiedenen Eigenschaften, die sie besitzen, wie Streuung von Licht, Absorption von Röntgenstrahlen, Transport von elektrischem Strom oder Wärme. Die Nanotechnologie hat einen multidisziplinären Charakter, der mehrere traditionelle Technologien und verschiedene wissenschaftliche Disziplinen betrifft. Es können neue Materialien hergestellt werden, die sogar in atomarer Größe skaliert werden können.

Fakten

Ein Nanometer (nm) entspricht ^10-9 oder 0.000.000.001 Meter.
Wenn sich zwei Kohlenstoffatome zu einem Molekül verbinden, liegt der Abstand zwischen ihnen im Bereich von 0,12-0,15 nm.
Die DNA-Doppelhelix ist von einer Seite zur anderen etwa 2 nm lang. Sie entwickelt sich zu einem neuen Gebiet der DNA-Nanotechnologie. In Zukunft kann die DNA manipuliert werden, was zu einer neuen Revolution führen kann. Das menschliche Genom kann je nach Bedarf manipuliert werden.
Ein Nanometer und ein Meter können als der gleiche Größenunterschied wie zwischen Golfball und Erde verstanden werden.
Ein Nanometer entspricht etwa einem Fünfundzwanzigtausendstel des Durchmessers eines menschlichen Haares.
Fingernägel wachsen einen Nanometer pro Sekunde.

Physikalische Eigenschaften von Nanomaterial

Im Nanobereich ändern sich die physikalischen Eigenschaften von Systemen oder Partikeln erheblich. Physikalische Eigenschaften wie Quantengrößeneffekte, bei denen sich Elektronen bei sehr kleinen Teilchengrößen unterschiedlich bewegen. Eigenschaften wie mechanische, elektrische und optische Veränderungen, wenn ein makroskopisches System in ein mikroskopisches wechselt, was von größter Bedeutung ist.

Nanomaterialien und -partikel können als Katalysator wirken, um die Reaktionsgeschwindigkeit zu erhöhen und gleichzeitig eine bessere Ausbeute im Vergleich zu anderen Katalysatoren zu erzielen. Einige der interessantesten Eigenschaften, wenn Partikel in den Nanobereich umgewandelt werden, sind Substanzen, die normalerweise das Licht stoppen und transparent werden (Kupfer); es wird möglich, einige Materialien zu verbrennen (Aluminium); Feststoffe verwandeln sich bei Raumtemperatur in Flüssigkeiten (Gold); Isolatoren werden zu Leitern (Silizium). Ein Material wie Gold, das in normalen Maßstäben nicht mit anderen Chemikalien reagiert, kann ein starker chemischer Katalysator im Nanomaßstab sein. Diese besonderen Eigenschaften, die wir nur im Nanomaßstab sehen können, sind eines der interessantesten Dinge der Nanotechnologie.

Fragen und Antworten

F: Was ist Nanotechnologie?

A: Die Nanotechnologie ist ein Teilbereich der Wissenschaft und Technologie, der sich mit der Kontrolle der Materie auf atomarer und molekularer Ebene befasst. Dazu gehört auch die Herstellung von Produkten, die so kleine Teile verwenden, wie elektronische Geräte, Katalysatoren, Sensoren usw.

F: Wie klein sind Nanometer?

A: Nanometer sind unglaublich klein - es gibt mehr Nanometer in einem Zoll als es Zoll in 400 Meilen gibt. Um eine internationale Vorstellung davon zu vermitteln, wie klein das ist, gibt es so viele Nanometer in einem Zentimeter, wie es Zentimeter in 100 Kilometern gibt.

F: Welche Art von Arbeit wird im Bereich der Nanotechnologie verrichtet?

A: Menschen, die auf dem Gebiet der Nanotechnologie arbeiten, befassen sich mit der Herstellung von Nanopartikeln (Partikel mit einer Größe im Nanometerbereich), die besondere Eigenschaften haben, wie z.B. die Streuung von Licht oder die Absorption von Röntgenstrahlen. Sie versuchen auch, kleine Kopien größerer Maschinen herzustellen oder wirklich neue Ideen für Strukturen zu entwickeln, die sich selbst herstellen. Neue Materialien können mit Strukturen in Nanogröße hergestellt werden und es ist sogar möglich, mit einzelnen Atomen zu arbeiten.

F: Welche potenziellen Anwendungen hat die Nanotechnologie?

A: Die Nanotechnologie hat potenzielle Anwendungen in vielen verschiedenen Bereichen, darunter Medizin, Computer und saubere Stromerzeugung (nanoelektromechanische Systeme). Sie könnte auch bei der Entwicklung der nächsten Generation von Solarzellen und effizienter energiesparender Beleuchtung helfen.

F: Gibt es Risiken im Zusammenhang mit dem Einsatz der Nanotechnologie?

A: Der Einsatz der Nanotechnologie könnte unbekannte Probleme mit sich bringen, z.B. wenn die verwendeten Materialien schlecht für die Gesundheit der Menschen oder die Natur sind. Sie könnten sich negativ auf die Wirtschaft oder sogar auf große natürliche Systeme wie die Erde selbst auswirken, weshalb einige Gruppen dafür plädieren, dass Regeln für ihre Verwendung aufgestellt werden sollten.

F: Welche Art von Wissenschaftlern beschäftigt sich mit der Nanotechnologie?

A: Wissenschaftler, die sich mit Nanotechnologie beschäftigen, kommen aus vielen verschiedenen Disziplinen, darunter angewandte Physik, Materialwissenschaften, Grenzflächen- und Kolloidwissenschaften, Gerätephysik, Chemie, supramolekulare Chemie, selbstreplizierende Maschinen und Robotik, Chemieingenieurwesen, Maschinenbau, Biologie, Biotechnologie, Elektrotechnik usw.