Vorstoß in den Nanokosmos Ein Überblick Niels Boeing, 2.12.2005 Quelle: INM, Saarbrücken

„In meinen Augen sprechen die Prinzipien der Physik nicht gegen die Möglichkeit, Dinge Atom für Atom zu manipulieren“ Richard Feynman, 1959 „Der Mensch ist in diesem Moment Zeitzeuge und Gestalter einer zweiten Genesis, einer grundlegend neuen Evolution materieller Strukturen“ Gerd Binnig, 2004 Nanotechnik – 2.12.2005

Inhalt 1 Was ist Nanotechnik? Was kann Nanotechnik bereits? Was geht (noch) nicht? Nanotechnik – 2.12.2005

1 Was ist Nanotechnik? Alle technischen Verfahren, die gezielt Objekte oder Strukturen von unter 100 Nanometern Ausdehnung erzeugen oder nutzen In der Nanotechnik treffen sich: Physik Chemie Biotechnik Medizin Computertechnik Umwelttechnik Nanotechnik – 2.12.2005

1 Ein Größenvergleich Durchmesser/ Breite in Nanometer Objekt Übliche Einheiten 3.476.000.000.000.000,0 33.000.000.000,0 23.000.000,0 50.000,0 130,0 50,0 20,0 10,0 2,0 1,0 0,1 Mond Kugel des Berliner Fernsehturms 1-Euro-Stück Haar PC-Prozessor-Leiterbahnen Hepatitis-C-Virus Ribosom Quantenpunkt DNS-Molekül Nanotube (einwandig) Wasserstoff-Atom 3.476 km 33 m 2,3 cm 50 µm 130 nm 50 nm 20 nm 10 nm 2 nm 1 nm 1 Å Nanotechnik – 2.12.2005

1 Eckdaten 1956 Entdeckung der DNS-Struktur 1959 Richard Feynmans Rede 1974 Erste Verwendung des Begriffs „Nanotechnik“ 1981 Erfindung des Rastertunnelmikroskops 1985 Entdeckung der Buckyballs 1986 Erfindung des Kraftmikroskops; Assembler-Utopie 1989 Gezielte Verschiebung einzelner Atome 1991 Entdeckung der Nanotubes; Prototyp der Grätzelzelle; funktionale Schichten 2000 Entschlüsselung des menschlichen Genoms 2001 Erste molekulare Schaltkreise Nanotechnik – 2.12.2005

Nanostrukturen in der Natur 1 Nanostrukturen in der Natur Das Ribosom:  20 nm  Die Muschelschale: Nanotechnik – 2.12.2005

Drei Hauptanwendungsgebiete 1 Drei Hauptanwendungsgebiete Nanowerkzeuge - Rastersondenmikroskope - Selbstorganisation Nanomaterialien - Neue Moleküle und Nanopartikel - Beschichtungen Nanosysteme - Sensoren - Nanoprozessoren - Medikamentencontainer Nanotechnik – 2.12.2005

Werkzeug: Rastertunnelmikroskop (1981) Nanotechnik – 2.12.2005

Werkzeug: Self-Assembly mittels DNS 1 Werkzeug: Self-Assembly mittels DNS Quelle: Scientific American Kurze DNS-Stränge werden z.B. zu Kreuzen verbunden („Halliday-Junction“), die als Baustein für ausgedehnte DNS-Gerüste dienen soll. Geforscht wird hieran u.a. an der Columbia University New York und der Uni München. Nanotechnik – 2.12.2005

1 Neue Moleküle Z.B. Kohlenstoff: Buckyball (C60) & Nanotube  Nanotechnik – 2.12.2005

2 Was kann Nanotechnik bereits? 1 Displays aus organi- schen Leuchtdioden 2 Nanosolarzellfilm 3 Kratzfeste, selbst- reinigende Fenster 4, 5 Schmutzabwei- sende Textilien 6 Stuhlrahmen aus Kohlenstoff-Nanotubes verstärktem Kunststoff Quelle: New Scientist 7 Künstliches Hüftgelenk aus biokompatiblen Nanomaterialien 8 Antirostlack mit Nanopartikeln 9 Thermochromes Glass zur Regulierung des Lichteinfalls 10 Kompakter Datenspeicher aus Magnetschichten 11 Brennstoffzellen mit Kohlenstoff-Nanotubes 12 Nanotechnisch optimiertes Hörgerät-Implantat Nanotechnik – 2.12.2005

2 Nanosensoren Winzige Strukturen reagieren auf wenige Moleküle: 1 Hebelchen („Cantilever“) die sich ebenso für einen Cola-Test wie für medizi- nische Tests nutzen lassen (rechts) 2 „Quantenpunkte“ als B- Waffen-Detektoren Quelle: IBM Nanotechnik – 2.12.2005

Nanomedizinische Therapien 2 Nanomedizinische Therapien Mit Biomolekülen umhüllte superparamagnetische Nano-partikel werden in Tumorzellen geschleust. Durch Einschalten eines Wechselmagnetfeldes vibrieren sie. Die dadurch entstehende Wärme tötet die Zellen ab. Dieses von Andreas Jordan, Charité Berlin, entwickelte Verfahren ist bereits in der klinischen Testphase (Phase II). Quelle: Andreas Jordan, Charité Nanotechnik – 2.12.2005

Nanobiotechnik: Viren als Drahtzieher 2 Nanobiotechnik: Viren als Drahtzieher Quelle: Science In dem von Angela Belcher, MIT, entwickelten Verfahren werden Viren (Bakteriophagen) genmanipuliert, so dass sie in ihrer Hülle Proteine ausbilden, an die sich Halbleiter anlagern. Nanotechnik – 2.12.2005

2 Nanoelektronik Die Transistorteile in den modernsten Chips haben eine Breite von 90 nm. Bei ca. 40 nm geht es mit heutigen Techniken nicht mehr kleiner. Mögliche Auswege: 1 „Millipede“ (IBM), 1 Loch für 1 Bit:  15 nm 2 „Crossbar Latch“, (Hewlett- Packard) 3 Nanotube-Transistoren Nanotechnik – 2.12.2005

3 Was geht (noch) nicht? Bottom-Up-Technologien: gezielte, automatisierbare und schnelle Integration vieler Nanosysteme zu einem makroskopischen Objekt, z.B. 1 Mio. Nanotube-Transistoren zu einem Chip vereinigen Molekulare Nanotechnologie: Zusammenbau beliebiger Gegen-stände Atom für Atom mit Hilfe einer „Assembler-Technologie“, wie von Eric Drexler 1986 vorgeschlagen. Nanotechnik – 2.12.2005

Links und Texte zur NT... ...gibt es im Web unter http://nano.bitfaction.com, der Site zum Buch „Nano?! Die Technik des 21. Jahrhunderts“ (Rowohlt Berlin) Kontakt: nbo@bitfaction.com Nanotechnik – 2.12.2005