Bionanoelektronik

Was ist „Nanotechnologie“ ? 1. Nanotechnolgie befaßt sich mit Strukturen, die in mindestens einer Dimension kleiner als 100 nm sind. Nanotechnologie macht sich charakteristische Effekte und Phänomene zunutze, die im Übergangsbereich zwischen atomarer und mesoskopischer Ebene auftreten. Nanotechnologie bezeichnet die gezielte Herstellung und/oder Manipulation einzelner Nanostrukturen

Herstellungsstrategien „Top-down“ Strukturen und Komponenten werden immer weiter miniaturisiert (Physik, physikalische Technik) „Bottom-up“ Aufbau immer komplexerer Strukturen aus atomaren bzw. molekularen Bausteinen (Chemie, Biologie)

Basisstrukturen (Nanodrähte, Nanoröhren, Nanogräben) Punktförmige Strukturen – drei Dimensionen < 100 nm (Nanokristalle, Cluster, Moleküle) Linienförmige Strukturen – zwei Dimensionen < 100 nm (Nanodrähte, Nanoröhren, Nanogräben) Schichtstrukturen – eine Dimension < 100 nm

Mikroelektronik – Nanoelektronik - Halbleitertechnik 1957: Magn. Ringkern- Speicher mit 16 kbit 1976: 64 kbit Memory Modul 1988: 1 Mbit Chip (1,3 Mikrometer) (1 cm) (10 Mikrometer) (kleinste Strukturabmessung der Bauelemente)

Mikroelektronik – Nanoelektronik - Halbleitertechnik 1997: 1 Gbyte DRAM in 128x8 Mbyte-Modulen 2006: Chipstrukturen nähern sich der 100 nm - Grenze (180 Nanometer) Aktuell (Jan. 2010): 32 nm

Kleinste Strukturabmessung DRAM-Speicherdichte Mikroprozessorleistg. der Bauelemente pro Chip (Systemgeschw.) 1970 10 Mikrometer 1 Kbit 0,5 MHz 1,3 Mikrometer 64 Kbit 5 MHz 0,5 Mikrometer 4 Mbit 50 MHz 180 Nanometer 256 Mbit 1 GHz 2010* 50 Nanometer 64 Gbit 10 GHz * Prognose (Strategiepapier des BMBF von 2006)

Führende Firmen in der Halbleiterentwicklung Intel Samsung Electronics Texas Instruments Toshiba ST Microelectronics Infineon Technologies Neue Fertigungsvarianten für Strukturlängen < 100 nm notwendig (z.B. Kristallgitter-Streckverfahren)  Neue Lithografieverfahren (z.B. Immersionslithografie)

Wichtige Anwendungsfelder der Nanoelektronik:  Medizin: Laufende und unauffällige Kontrolle gesundheitsrelevanter Körperfunktionen  Verkehrstechnik: Verkehrssicheres Auto mit Assistenz in allen Fahrsituationen, Sicherheitserkennung über biometrische Merkmale  Baugewerbe: sicheres und vernetztes Haus  Sicherheit: Sicherheitserkennung über biometrische Merkmale

Problem: Zunehmende Miniaturisierung der Objekte verlangt neue chemische Methoden „Bottom up“ – Aufbau von nm-Dimensionen aus Metallen wie Au, Ag, Pt, Cu oder Halbleitern wie PbS, CdS, CdSe, TiO2 größenabhängige Plasmonenabsorption photoinduzierte Erzeugung von Elektron- Loch- Paaren Fluoreszenz

Möglichkeit der Ansteuerung der Partikel durch externe elektronische oder photonische Signale

Nanotechnolgie + biologische Systeme elektronische und optoelektronische Funktionseinheiten Aggregation und Manipulation Schaltkreise Sensoren

Herstellung von Biomolekül-Nanopartikel-Hybriden Erzeugung von Au-Nanopartikeln durch Citratreduktion (d = 16±2 nm) IgG (Immunglobulin G) oberhalb des isoelektr. Punktes Nanopartikel– Protein- Konjugat durch elektrosta- tische Wechselwirkungen

Herstellung von Biomolekül-Nanopartikel-Hybriden natürliche Thiolgruppen des Proteins Nanopartikel– Protein- Konjugat durch Adsorption an synthetische Thiolgruppen des Proteins

Herstellung von Biomolekül-Nanopartikel-Hybriden Nanopartikel – Protein – Konjugat bei Antikörper-Antigen-Komplexen

Anwendung von Nanopartikel – Protein – Konjugaten als Immunosensoren Prostataspezifisches Antigen (PSA) Magnetteilchen mit Antikörper

DNA - Detektion auf einem Chip magn. Trennung + Dehybridisierung Thermische Dissoziation der Nucleinsäure – Doppelhelix DNA - Detektion auf einem Chip

Oberflächenplasmonenresonanz (SPR) – Spektroskopie bei Immunsensor-Assays mit Gold- Nanopartikeln als Marker C – Gold als Marker Verschiebung des Plasmonenwinkels Verbreiterte Plasmonen- resonanz (Reflektivität) Antigen läßt sich in pikomolaren Mengen nachweisen

Oberflächenplasmonenresonanz mit Silber- Nanopartikeln als Marker AFM – Aufnahme von dreieckigen Silber - Nanopartikeln außergewöhnliche optische Eigenschaften bzgl. externer dielektrischer Umgebung (ca. 10-30 nm)

Oberflächenplasmonenresonanz mit Silber- Nanopartikeln als Marker SPR – Spektren nach Funktionaliaierung mit Biotineinheiten Modifikation mit 1 mM Biotin Modifikation mit 0,1 mM Biotin Modifikation mit biotinylierten Ag- Nanopartikeln Umwandlung von Änderungen des Brechungsindex in Verschiebung der Wellenlänge

Magnet - Nanopartikel als Marker in Proteinkäfigen Proteinkäfige, insbesondere virale fungieren als strukturell begrenzte „Nanoreaktoren“  Eisenspeicherprotein Ferritin besonders zur Erzeugung magn. Partikel def. Form und Größe geeignet CCM- Virus (cowpea chlorotic mottle virus – Kuhbohnen-Mosaikvirus), 180 identische Untereinheiten von 20.000 kDa lagern sich zu einer leeren Virushülle mit Ikosaedersymmetrie zusammen

Magnet - Nanopartikel als Marker in Proteinkäfigen CCMV – Proteinkäfig D außen = 28 nm D innen = 18-24 nm  gentechnische Modifizierung des Hüllproteins zur Beeinflussung des Wachstums der Nanopartikel

Konstruktion von Überstrukturen aus CdS-Nanopartikel-DNA- Konjugaten - Anwendungen zur Erzeugung von Photostrom Au Kolloide D = 2,6  0,4 nm 67,68 – thiolderivatisierte Nucleinsäuren, komplementär zur Ziel- DNA 69 – Ziel –DNA fungiert als Vernetzungselement zum Aufbau eines Arrays

Nanopartikel- Generationen Bestrahlung des Arrays  Induktion von Photostrom  Zunahme mit Zahl der CdS- Nanopartikel- Generationen  Photonanregung des Halbleiters induziert Transfer von Elektronen in das Leitungsband Elektronische Nanoschaltkreise 70 – Ru-Komplex zur Verstärkung des Photostromes

Charakterisierung der Arrays B – Absorptionsspektrum C - Fluoreszenzspektrum (1-4 Schichten CdS-Nanopartikel Aggregate)

Biomolekulare Nanoschaltkreise Nanodrähte bzw. Nanoröhren als Funktionseinheiten für selbstorganisierende logische- und Speicherschaltkreise

Biomolekulare Nanoschaltkreise Möglichkeiten der technischen Umsetzung zur Bildung geordneter Arrays: S- Layer- Techniken (gezielte Anordnung von kristallinen Proteinschichten auf Substraten) Strukturierung der S- Layer durch: - Bestrahlung mit mit Tief-UV-Licht - Anwendung weicher Lithographie- Techniken - Mikromolding in Kapillaren (MIMIC)

Biomolekulare Nanoschaltkreise Erzeugung von S- Layer –Mustern durch MIMIC PDMS - Poly(dimethylsiloxan) S- Layer: kristalline Proteinschichten Mit einer „Gußform“ aus PDMS werden Kanäle auf einem Si-Wafer erzeugt. Die Kanäle werden durch Kapillarkräfte mit Proteinlösung befüllt.

Biomolekulare Nanoschaltkreise S- Layer Muster werden mit Fluoreszenzfarbstoff markiert S- Layer Muster werden als Substrate für Antikörper- Antigen Immunreaktion verwendet

Biomolekulare Nanoschaltkreise EM- Aufnahme eines S- Layers mit quadratischer Gittersymmetrie und Goldübergitter (Dgold = 4-5 nm) Fluoreszenzaufnahmen eines S- Layers, dessen Muster mit „schaltkreisähnlicher“ PDMS – Form erzeugt wurde

Biomolekulare Nanoschaltkreise DNA als Templatmaterial - Nanodrähte Vielfältige Möglichkeiten (mittels Enzymen) für Manipulation der DNA: Ligasen: verknüpfen Nucleinsäurestücke Endonucleasen: schneiden Nucleisäuren an spez. Positionen Telemerasen: verlängern einsträngige Nucleinsäuren Polymerasen: replizieren DNA „Cut and Paste“ -Werkzeuge zur Modifizierung von DNA - Matrizen

Problem: Elektronentransport durch DNA – schlechte oder isolierende Leitungseigenschaften DNA – Metallisierung: Anordnung der metallischen Nanopartikel „auf Lücke“  kontinuierliche Leitfähigkeit

DNA als Templatmaterial – Nanodrähte Herstellung: Mikroelektroden mit Oligonucleotiden Verbrückung über  - DNA Beladung mit Silberionen durch Ionenaustausch an Phosphatgruppen

DNA als Templatmaterial – Nanodrähte Reduktive Abscheidung von Silber Durchmesser des Drahtes: 100 nm

I-V- Kurven des Silberdrahtes

DNA als Templatmaterial – Nanodrähte Herstellung: Molekulare Lithographie AFM – Aufnahme einer strukturierten DNA- Matrize nach Metallisierung mit Gold

Ausblick: Umsetzung von Biomolekül-Nanopartikel-Organisation in tragfähige Technologien z.T. schon möglich (z.B. analytische Anwendungen, signalinduzierte elektronische Funktionen) - funktionierende molekulare Elektronik erfordert aufwendige Grundlagenforschung  Bildung komplexer Geometrien  nanoskopische Strukturbildung von Leiterbahnen  molekular exakte Lokalisierung von Bauelementen

- Nanorobotics  mikroskopische Roboter (Regelung, Kommunikation, Energieversorgung) nanoelektromechanische Quantenschaltkreise und Quantensysteme (freistehende, bewegliche Nanokomponenten)