Nanowissenschaften ÜBERSICHT Was sind Nanowissenschaften eigentlich und wie sieht die Nano-Forschung im Rahmen des Nationalen Forschungsschwerpunktes aus? Diese Fragen möchte diese kurze Einführungspräsentation (10-15 Minuten, für absolute Laien) beantworten. NCCR Nanoscale Science - Who are we?

Was sind Nanowissenschaften? Nanos, griech. Zwerg Vorsilbe „nano“ ist die Abkürzung für den Milliardsten Teil 1 Nanometer ist ein Milliardstel Meter Forschung, die sich mit Strukturen im Nanometer -Maßstab befasst „Nanos“ kommt aus dem griechischen und bedeutet Zwerg. Die Vorsilbe Nano wird aber auch gebraucht für den Milliardsten Teil. Ein Nanometer ist alos z.B. ein Milliardstel Meter. Und Nanowissenschaften ist damit die Forschung, die sich mit Strukturen im Nanometerbereich befasst. NFS Nanowissenschaften - Übersicht - Februar 2005 NCCR Nanoscale Science - Who are we?

Wie gross ist ein Nanometer? 1 Nanometer ist ein Milliardstel Meter oder ein Millionstel Millimeter 1mm Aber wir gross bzw. klein ist denn nun ein Milliardstel Meter und was sind das für Strukturen und Fragestellungen, mit denen sich die Wissenschaftler beschäftigen. 1 Nanometer ist also ein Milliardstel Meter oder auch ein Millionstel Millimeter. Es ist etwas schwer vorstellbar, diesen einen mm noch in eine Million Teile zu unterteilen. NFS Nanowissenschaften - Übersicht - Februar 2005 NCCR Nanoscale Science - Who are we?

Mit welchen Strukturen beschäftigen sich Nanowissenschaftler? Menschliches Haar: 50-70 m (50‘000-70‘000 nm) Frischhaltefolie: 11 –14 m (11‘000 –14‘000 nm) Bakterium: 1 – 10 m (1000 – 10‘000 nm) Atome: 0.3 nm                   Die Dinge, die uns bekannt sind, bewegen sich in vollkommen anderen Grössenordnungen. Ein menschliches Haar hat immer noch einen Durchmesser von 50000-70000 nm. Selbst Frischhaltefolie und Bakterien bewegen sich noch in vollkommen anderen Dimensionen. Wenn wir aber in der Welt von einzelnen Atomen und Molekülen eintauchen, kommen wir in den Nanometerbereich. Denn einzelne Atome, hier Siliziumatome, haben einen Durchmesser von nur 0,3 nm. NFS Nanowissenschaften - Übersicht - Februar 2005 NCCR Nanoscale Science - Who are we?

Nanowissenschaften Einzelne Atome und Moleküle sind die Untersuchungsobjekte In der Nanowelt herrschen andere Gesetze Im Nanometerbereich verschmelzen die Grenzen der klassischen Disziplinen Physik, Chemie und Biologie Schon heute Produkte, die auf Nanowissenschaft basieren, auf dem Markt Einzelne Atome und Moleküle sind also die Untersuchungsobjekte von Nanowissenschaftlern. In diesem Bereich herrschen vollkommen andere Gesetze als in der uns bekannten Makrowelt. Es verschmelzen die klassischen Disziplinen Physik, Chemie und Biologie und nur interdisziplinär zusammengesetzte Teams haben eine Chance diese Gesetze der Nanowelt zu erforschen. Weltweit wird heute viel Geld in die Nanoforschung investiert. Und es gibt auch heute schon Produkte auf dem Markt, die ihre Gundlage in den Nanowissenschaften haben: UV-Filter in Sonnencremes oder kratzfeste Brillengläser, oder wasser-und schmutzabweisende Oberfläche. In Zukunft verspricht die Nanotechnologie sehr viel mehr: neue Materialien und Speichermedien, atomare Schalter, künstliche Nasen und Ohren und vieles mehr, das einen Einfluss auf unser tägliches Leben nehmen kann. NFS Nanowissenschaften - Übersicht - Februar 2005 NCCR Nanoscale Science - Who are we?

Die Natur als Vorbild Lotuseffekt Nanomaschinen In sehr vielen Fällen müssen wir „nur“ die Natur genau beobachten und studieren, um die Gesetzte der Nanowelt zu verstehen und auch um neue Anwendungen zu finden. Der Lotuseffekt ist wohl das bekannteste Beispiel. Die Blätter der Lotusblume sind wasserabweisend, Wassertropfen und Schmutz perlen ab. Man könnte annehmen, dass die Eigenschaft auf einer vollkommen glatten Oberfläche beruht, jedoch genau das Gegenteil ist der Fall. Die Oberfläche ist nicht glatt, sondern übersät mit Wachskristallen, auf denen Wasser und auch Schmutz nicht haften kann. Dieses Prinzip lässt sich auch auf Fassadenfarbe, Autolacke und andere Oberflächen anwenden. Auch bei der Vorstellung, kleinste autonome Maschinen aus einzelnen Molekülen zu bauen, ist die Natur Vorbild. Denn in der Natur arbeiten z.B. Nanoturbinen als Energielieferanten der Zelle (hier mit einem Rasterkraftmikroskop beobachtet) und funktionieren perfekt. NFS Nanowissenschaften - Übersicht - Februar 2005 NCCR Nanoscale Science - Who are we?

Vorstoss in die Nanowelt Vorstoss in die Nanowelt Die Universität Basel und andere Institute in der Schweiz beteiligen sich schon seit vielen Jahren aktiv an der Nanoforschung. Und zwar hat das Instititut für Physik in Basel massgeblich zur Entwicklung von Mikroskopen beigetragen, mit deren Hilfe die Nanowelt untersucht werden kann. Denn sowohl mit dem blossen Auge, wie auch mit normalen Lichtmikroskopen und auch Elektronenmikroskopen sind einzelne Atome und Moleküle nicht sichtbar. Hier am Beispiel eines Bleistiftes gezeigt. Erst mit einem Rastertunnelmikroskop zeigt sich ein Bild, auf dem die Graphitatome sichtbar werden. NFS Nanowissenschaften - Übersicht - Februar 2005 NCCR Nanoscale Science - Who are we?

Neue Mikroskope eröffnen die Nanowelt Wissenschaftler um Gerd Binning, Heinrich Rohrer und Christoph Gerber (IBM) entwickeln 1981 das Rastertunnelmikroskop Erfindung wurde 1986 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet Prinzip: feine Messsonde tastet die Struktur der Oberfläche ab erzeugt so ein Abbild der Oberfläche Rasterkraftmikroskope wurden 1986 entwickelt An der Uni Basel optimiert Das erste Mikroskop mit dem dies möglich war, wurde von einem IBM-Forscherteam 1981 entwickelt. Die Erfindung wurde mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Bei diesem Rastertunnelmikroskop tastet eine feine Messsonde die Struktur der Oberfläche genau ab und erzeugt so ein Abbild der Oberfläche. Eine ähnliche Form dieses Mikroskops- das Rasterkraftmikroskop – wurde von Mitarbeitern des Instituts für Physik massgeblich weiterentwickelt. NFS Nanowissenschaften - Übersicht - Februar 2005 NCCR Nanoscale Science - Who are we?

Rasterkraftmikroskop Laser- strahl Detektor Probe Atomar scharfe Spitze Rastereinheit Brillenglas Dabei tastet eine Spitze, die an einem Federbalken befestigt ist, die Oberfläche ab. Jede Auslenkung des Federbalkens lässt sich messen und die Information sich dann in ein Bild umrechnen. Es können so einzelne Atome dargestellt werden (hier wieder Siliziumatome) oder auch Oberflächen genausten untersucht werden (hier Brillenglas). NFS Nanowissenschaften - Übersicht - Februar 2005 NCCR Nanoscale Science - Who are we?

Breiter Einsatzbereich Rastersondenmikroskope benötigen keine wesentliche Probenvorbereitung Auch Biomoleküle können in ihrer natürlichen Umgebung beobachtet werden Verschiedene physikalische und chemische Parameter sind messbar Rastersondenmikroskope können auch als Werkzeug dienen Fe-Atome auf Cu-Einkristall Oberfläche einer CD Das Besondere an diesen Mikroskopen ist, dass die Proben nicht besonders fixiert oder vorbereitet werden müssen, wie das bei Elektronenmikroskopen der Fall ist und daher erstmals auch Biomoleküle in ihrer natürlichen Umgebung beobachtet werden können. Es sind zudem mit diesen Mikroskopen auch verschiedene physikalische und chemische Parameter messbar. Ausserdem können die Mikroskope auch als Werkzeuge einsetzten lassen, in dem die Spitze wie ein Presslufthammer graviert oder auch einzelne Atome packen und verschieben kann. NFS Nanowissenschaften - Übersicht - Februar 2005 NCCR Nanoscale Science - Who are we?

Nationaler Forschungsschwerpunkt Nanowissenschaften Langfristig angelegtes, interdisziplinäres Forschungsprogramm Universität Basel ist Kompetenzzentrum Netzwerk aus Hochschul- und Forschungsinstituten und Industriepartnern Impulse für Lebenswissenschaften, Nachhaltigkeit, Informations- und Kommunikationstechnologie geben Universität Basel, IBM Forschungslaboratorium Rüschlikon, Eidgenössische Technische Hochschule Zürich (ETHZ), Universität Neuchâtel, Universität Zürich, Swiss Center for Electronics and Microtechnology Neuchâtel (CSEM), Paul Scherrer Institute Villigen (PSI), Fachhochschule beider Basel (FHBB) Die Uni Basel ist innerhalb der Schweiz und auch international führend auf dem Gebiet der Rasterkraftmikroskopie und auch auf anderen Gebieten der Nanowissenschaften geniessen unsere Wissenschaftler weltweite Anerkennung. Aus diesem Grund wurde der Uni im Jahr 2001 der Nationale Forschungsschwerpunkt Nanowissenschaften zugesprochen. Es handelt sich hier um ein langfristig angelegtes interdisziplinäres Forschungsprogramm (10 Jahre), in dem die Uni Basel als Kompetenzzentrum fungiert. Von hier aus wird ein Netzwerk aus Hochschul- und Forschungsinstituten und Industriepartnern geleitet. Dies wissenschaftliche Arbeit, die im Rahmen dieses NFS geleistet wird, soll Impulse geben für Lebenswissenschaften, Nachhaltigkeit, Informations- und Kommunikationstechnologie. NFS Nanowissenschaften - Übersicht - Februar 2005 NCCR Nanoscale Science - Who are we?

Eckdaten Offizieller Beginn: Juni 2001 Anzahl akademischer Mitarbeiter etwa 200 Disziplinen: Physik, Chemie, Biologie, Medizin, Informationstechnologie, Ingenieurwissenschaften Gesamtbudget pro Jahr (2001-2005): 16.0 Million Sfr Universität Basel: 5.5 Million Sfr Bund: 4.8 Million Sfr Netzwerkpartner: 4.6 Million Sfr Drittmittel: 1.1 Million Sfr Leading House: Universität Basel Netzwerkpartner: IBM Forschungslaboratorium Rüschlikon, ETH Zürich, EPF Lausanne, Universität Neuchâtel, CSEM Neuchâtel, Paul Scherrer Institute, FHBB, Universität Zürich Im Rahmen des NFS arbeiten etwa 200 Mitarbeiter aus den naturwissenschaftlichen Disziplinen Physik, Chemie, Biologie, aber auch aus der Medizin, Informationstechnologie und den Ingenieurwissenschaften eng zusammen. Diese Interdisziplinarität ist eine der Besonderheiten des NFS. Weltweit wird von unabhängigen Experten anerkannt, dass die Uni Basel mit diesem NFS ein exzellentes Forschungszentrum für Nanowissenschaften geschaffen hat. NFS Nanowissenschaften - Übersicht - Februar 2005 NCCR Nanoscale Science - Who are we?

Forschungsprojekte im NFS Nanobiologie Prof. Andreas Engel (Uni Basel) Prof. Ueli Aebi (Uni Basel) Quantumcomputer Prof. Daniel Loss (Uni Basel) Prof. Klaus Ensslin (ETH Zürich) Atomare und Molekulare Nanosysteme Prof. Dr. Ernst Meyer (Uni Basel) Prof. Hans-Josef Hug (Uni Basel, EMPA) Molekulare Elektronik Prof. Dr. Christian Schönenberger (Uni Basel) Dr. Thomas Jung (PSI) Funktionale Materialien durch hierarchische Selbstorganisation Prof. Francois Diederich (ETH Zürich) Prof. Wolfgang Meier (Universität Basel) Die Forschung innerhalb des NFS konzentriert sich auf die folgenden 5 Themenbereiche: Nanobiologie: dort werden Biomoleküle untersucht, aber auch medizinische Anwendungen erforscht, z.B. endoskopisches Arthroskop Quantumcomputer: theoretische und praktische Grundlagen zur Entwicklung eines Quantencomputers Atomare und molekulare Nanosysteme: Eigenschaften von Nanosystemen aus einzelnen Atomen und Molekülen Molekulare Elektronik: elektronische Schaltteile aus einzelnen Molekülen, welche Moleküle sind geeignet? Funktionale Materialien: neue Materialien, mit neuen Eigenschaften, die sich selbst arrangieren NFS Nanowissenschaften - Übersicht - Februar 2005 NCCR Nanoscale Science - Who are we?

Noch viel zu entdecken Im NFS vor allem Grundlagenforschung Mit zunehmendem Verständnis über die Grundlagen und Gesetzmässigkeiten der Nanowelt kommt vermehrt die Entwicklung von Technologien und Anwendungen Studiengang Nanowissenschaften an der Uni Basel www.nccr-nano.org Wir betreiben im NFS Nanowissenschaften vor allem Grundlagenforschung aber mit der Zeit wird sich aus der Wissenschaft auch mehr und mehr Technologien und Anwendungen entwickeln. Die Uni Basel bietet seit 2002 auch einen Studiengang Nanowissenschaften, der mit einem Bachelor oder Master abgeschlossen werden kann..   Wir stehen in der Ausbildung junger Nachwuchswissenschaftler und auch in der Forschung noch am Anfang. Es gibt noch viel zu entdecken in der Nanowelt. Falls auch Sie noch mehr entdecken und wissen möchten, steht auf unserer Homepage eine Fülle von Informationen zur Verfügung. Vielen Dank für Ihre Aufmerkssamkeit. NFS Nanowissenschaften - Übersicht - Februar 2005 NCCR Nanoscale Science - Who are we?