Benutzer:Lasinr/Nanotechnologie (Entwurf)

Verbesserungsvorschläge für Nanotechnologie

Was ist "Nanotechnologie"?

Nanotechnologie ist eine Schlüsseltechnologie des 21.Jahrhunderts. Die Vorsilbe Nano entstammt dem Wort "nanos" (v. altgriech. νάνος [nános] „Zwerg“). Die Größenordnung bezieht sich vom Einzelatom bis zu einer Strukturgröße von 100 Nanometern (nm). Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter (10^-9 m). Diese Größenordnung bezeichnet einen Grenzbereich, in dem die Oberflächeneigenschaften gegenüber den Volumeneigenschaften der Materialien eine immer größere Rolle spielen und zunehmend quantenphysikalische Effekte berücksichtigt werden müssen. In der Nanotechnologie stößt man also zu Längenskalen vor, auf denen besonders die Größe die Eigenschaften eines Objektes bestimmen (größeninduzierten Funktionalitäten).

Die Nanotechnologie befasst sich mit der Untersuchung, Herstellung und Anwendung von Strukturen unter 100 Nanometern (nm), der Forschung in der Clusterphysik und Oberflächenphysik, Oberflächenchemie, der Halbleiterphysik, in Gebieten der Chemie und bisher noch im begrenzten Rahmen in Teilbereichen des Maschinenbaus und der Lebensmitteltechnologie (Nano-Food).

Ursprünge der Nanotechnologie

Als "Vater der Nanotechnologie" gilt der amerikanische Physiker Richard Phillips Feynman (1918 - 1988). Wegen seiner bedeutenden Beiträge zur theoretischen Quantenphysik zählt er zu den großen Wissenschaftlern des letzten Jahrhunderts und erhielt 1965 den Nobelpreis für Physik. 1959 hielt Feyman auf dem jährlichen Treffen der Amerikanischen Physikalischen Gesellschaft am California Institute of Technology eine visionäre Rede. Ihr Titel: „There’s Plenty of Room at the Bottom“ (Es gibt sehr viel Platz am unteren Ende). Damit meinte er das untere Ende der Längenskala. Den Begriff Nanotechnologie verwendete Feyman jedoch nicht. Erst der Japaner Norio Taniguchi prägte diesen Begriff 1974, indem er die Herstellungsmethoden mit einer Präzision im Nanometerbereich definierte.

Der Schlüssel zur Nanowelt wurde 1981 durch die Erfindung des Rastertunnelmikroskops (engl. scanning tunneling microscope, STM) gefunden. Der deutsche Forscher Gerd Binnig und sein Schweizer Kollege Heinrich Rohrer wurden dafür 1986 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet.

Zusammenspiel der Wissenschaften

Eine große Besonderheit der Nanotechnologie ist, dass sie ein fachübergreifendes Zusammenspiel vieler, eigentlich spezialisierter Fachgebiete der Naturwissenschaften darstellt. So spielt die Physik eine wichtige Rolle, allein schon bei der Konstruktion der Mikroskope zur Untersuchung und vor allem wegen der Gesetze der Quantenmechanik. Für eine gewünschte Struktur der Materie und Atomanordnungen bedient man sich der Chemie. Der gezielte Einsatz von Nanopartikeln in der Medizin soll bei bestimmten Krankheiten helfen. Andererseits werden aber auch Strukturen, wie z. B. zweidimensionale Kristalle, im Nanometermaßstab aus DNA konstruiert, weil diese sich mit bisherigen Technologien (z. B. der Polymerase-Kettenreaktion) gut manipulieren lässt. Die Wissenschaft ist hier an einem Punkt angelangt, an dem die Grenzen der verschiedenen Disziplinen verschwimmen, man nennt Nanotechnologie deswegen auch eine konvergente Technologie.

Anwendungsbereiche

Schon heute spielen die Nanomaterialien eine wichtige Rolle, die zumeist auf chemischem Wege oder mittels mechanischer Methoden hergestellt werden. Einige davon sind kommerziell verfügbar und werden in handelsüblichen Produkten eingesetzt, andere sind wichtige Modellsysteme für die physikalisch-chemische und materialwissenschaftliche Forschung.

• nano Chemie Die Chemie ist eine Schlüsselbranche für die Herstellung von Strukturen im Nanometerbereich. Schon heute beruhen viele Produkte auf der Herstellung von Teilchen, die kleiner als zehn Nanometer sind und die Form von Kugeln, Kristallen, Plättchen oder Röhren haben. Keramik, Metalle oder Kunststoffe, die Nanoteilchen enthalten oder mit ihnen beschichtet sind, besitzen neue, verblüffende Eigenschaften. Sie sind beispielsweise kratzfest, entspiegelt, wasser-, fett- oder schmutzabweisend. Auch Oberflächen, die Bakterien abtöten oder chemische Reaktionen ermöglichen und beschleunigen (katalysieren), werden durch Nanopartikel Realität.

• nano Materialien Nanotechnologie eröffnet die Möglichkeit, völlig neuartige Materialien zu schaffen, die exakt auf die Bedürfnisse der Verbraucher zugeschnitten sind. Optische, elektrische und magnetische Eigenschaften, aber auch die Härte, Zähigkeit oder das Schmelzverhalten dieser Nanomaterialien unterscheiden sich deutlich von herkömmlichen Materialien. Dies beruht auf den Wirkungen von Nanopartikeln, die entweder in den Werkstoffen gleichmäßig verteilt oder als Schichten auf sie aufgetragen werden.

• nano Analytik Die Methoden der Nanoanalytik erlauben es, eine Vielzahl von Eigenschaften zu untersuchen. Besonders wichtig für technische Fragestellungen sind dabei die dreidimensionale Struktur sowie elektronische, magnetische, mechanische, optische und chemische Eigenschaften.

• Nanoelektronik Die Nanoelektronik forscht und entwickelt innerhalb aller Bereiche, in denen kleinste elektronische Strukturen große Bedeutung haben. Bei Technologien und Geräten für die Elektronikfertigung, neuartigen Schaltungen und Bauelementen oder auch CHipsystemen wird der Einsatz von Nanotechnologie zukünftig die Wertschöpfung steigern.

• nano Optik Die Nanooptik verwendet nanotechnologische Verfahren für die HErstellung optischer Geräte bzw. Komponenten und nutzt neuartige physikalisch-optische Effekte für innovative Anwendungen.

• nano Mobil Um Ergebnisse der Forschung schnell und effizient in neue Produkte umzusetzen, fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit der Leitinnovation "Nanomaterialien und Nanotechnologie im Auto - NanoMobil" insbesondere die Vernetzung wissenschaftlicher Einrichtungen mit innovativen Herstellern und Zulieferern.

• nano Biotechnologie Die Nanotechnologie beschäftigt sich mit Systemen in der Größe von hundert Nanometern bis hinunter zu weniger als einem Nanometer. Dies ist genau der Größenbereich der Bestandteile von Zellen. Durch die Zusammenarbeit von Nanotechnologie und Biotechnologie ergeben sich deshalb besonders faszinierende Möglichkeiten.

• nano ForLife Die Leitinnovation "NanoForLife" des Bundesministeriums für Bildung und Forschung verfolgt das Ziel, den Einsatz von Technologien und Erkenntnissen aus den Bereichen Nanomaterialforschung und Nanobiotechnologie zu verstärken und so einen entscheidenden Beitrag für die Gesundheit der Gesellschaft zu leisten.

Herstellungsverfahren

(nano Fabrikation fehlt noch)

Eine Entwicklungsrichtung der Nanotechnologie kann als Fortsetzung und Erweiterung der Mikrotechnik angesehen werden (top-down-Ansatz), doch erfordert eine weitere Verkleinerung von Mikrometerstrukturen meist völlig unkonventionelle neue Ansätze. Die Chemie folgt in der Nanotechnologie oft dem entgegengesetzten Ansatz: bottom-up. Chemiker, die üblicherweise in molekularen, d. h. sub-nano Dimensionen arbeiten, bauen aus einer Vielzahl von einzelnen Moleküleinheiten größere nanoskalige Molekülverbunde auf. Ein Beispiel dazu sind Dendrimere.

Nanotechnische Produkte und Einsatzgebiete

Das momentan absehbare Ziel der Nanotechnologie ist die weitere Miniaturisierung der Halbleiterelektronik und der Optoelektronik sowie die industrielle Erzeugung neuartiger Werkstoffe wie z. B. Nanoröhren.

Zu den wichtigsten nanotechnologischen Produkten im weitesten Sinne zählen viele Pigmente und andere Zusatzstoffe (Additive) für Lacke und Kunststoffe, wie beispielsweise hochdisperse Kieselsäuren oder Ruß. Diese Produkte sind zum Teil seit über 40 Jahren auf dem Markt, erhalten aber im Zuge des allgemeinen Medienrummels („Nano-Hype“) oft im Nachhinein die Vorsilbe Nano. Allgemein bezeichnet der Begriff Nanoteilchen einen Verbund von wenigen bis einigen tausend Atomen oder Molekülen, dessen Größe typischerweise zwischen 1 und 100 Nanometern liegt. Typische moderne Vertreter von nanotechnologischen Produkten sind die sogenannten Quantenpunkte (engl. Quantum Dots). Auch moderne Prozessoren haben Strukturen, die kleiner sind als 100 nm und können daher als nanotechnologisch bezeichnet werden, obwohl das nicht üblich ist, da sie mit konventionellen lithographischen Verfahren hergestellt werden. Besondere Einsatzgebiete der Nanotechnologie sind heutzutage insbesondere die Beschichtung von Oberflächen oder die Herstellung von zahnärztlichen Füllungsmaterialien. Nanofüllkörper verhalten sich bei diesen Anwendungen nicht mehr wie eine amorphe Substanz, sondern nehmen Eigenschaften von Flüssigkeiten an.

Zahlreiche Anwendungen betreffen auch Probleme des Alltags: ein Beispiel dafür ist der Lotuseffekt, der selbstreinigende Oberflächen ermöglicht (Oberflächenbeschichtung). Auch als Schutzanstrich für Karosserien wird die Nanotechnologie derzeit verwendet. Dabei fungiert ein nanoskalisches Bindemittel als Alternative zu Chromatschichten bei der Automobillackierung. Auch der Schutz vor ultravioletter Strahlung in modernen Sonnencremes besteht aus nanoskaligem Titandioxid.

Mit nanotechnischen Versiegelungsprodukten werden viele Oberflächen wasser-, schmutz- und ölabweisend und erleichtern so die Reinigung bzw. den Reinigungsaufwand.

7.Potenzial

Das Vordringen in die Welt der elementarsten Bausteine ist eine Herausforderung, die neue faszinierende Möglichkeiten für Produkte und Märkte offenbart. Die Nanotechnologie wird so zur Stärkung des Wirtschaftsstandortes Deutschland im internationalen Wettbewerb maßgeblich beitragen. Gleichzeitig hat sie das Potenzial, unsere Gesundheitsversorgung zu verbessern und unser Leben angenehmer zu gestalten.

Potenziale für die Wirtschaft Die Nanotechnologie ermöglicht neue Verfahren für die anwendungsorientierte Forschung. So könnte die Möglichkeit bestehen, Analyseverfahren mit atomgenauer Präzision zu generieren oder aber miniaturisierte, schnellere Messinstrumente zu entwickeln. Ein geringerer Energieaufwand, ein minimierter Ressourceneinsatz und Materialverbrauch könnte zur Umweltfreundlichkeit beitragen und somit eine Haltbarkeit von Maschinen und Bauteilen verlängern. Die Herstellung innovativer Produkte mit bedarfsgerechten Eigenschaften oder eine Massenfertigung mit höherer Präzision könnte neue Märkte erschließen oder bestehende sichern. Dies könnte neue Arbeitsplätze schaffen, neue Produktionsstätte entstehen lassen und eine Verknüpfung von Forschung und Anwendung in Hightech-Branchen erzielen.

Potenziale für die Gesellschaft Die Gesundheitsversorgung könnte durch genauere medizinische Diagnoseverfahren, wirksamere und verträglichere Medikamente, die direkt am Krankheitsherd eingesetzt werden und verträglichere und länger haltbare Implantate und Prothesen gesteigert werden. Mittels leichtere Fahrzeuge mit geringerem Treibstoffverbrauch, höhere Sicherheit für Passagiere durch elektronische Sensoren und Rundumsicht, mehr Komfort durch Innenraumklimatisierung oder mehr Individualität durch farbveränderliche Karosserien wäre eine Verbesserung für Mobilität und Verkehr gegeben. Auch in der Freizeit bieten sich diverse Potenziale, die die Nanotechnologie mit sich bringen könnte. Leistungsfähigere und billigere PCs und Unterhaltungselektronik, Chips und DVDs mit enormem Specihervolumen, Energie sparende, hellere Lichtquellen, selbstreinigende Keramik in Bad und WC, knitterfreie und schmutzabweisende Textilien oder Materialien mit hoher Stabilität bei geringerem Gewicht wären nur einige nennbare Möglichkeiten.

Die Nanotechnologie wird eine ähnlich rasante Entwicklung erleben wie die Informationstechnik nach der Erfindung des Transistors und der Herstellung integrierter Schaltkreise. Und mehr noch: Weil Nanotechnologie zahlreiche Wissenschafts- und Technikdisziplinen in sich vereint, werden für eine Vielzahl von Branchen sowohl Verbesserungen bereits bestehender Produkte als auch völlig neue Produkte erwartet.

8.Potenzielle Risiken und Schutzmaßnahmen

Neben dem enormen Potenzial der Nanotechnologie sollten auch mögliche Risiken für die menschliche Gesundheit, die Umwelt und die Gesellschaft untersucht werden.

Die Entwicklung der Nanotechnologie schreitet bereits sehr schnell voran. Man muss daher mögliche negative Auswirkungen durch Begleitforschung rechtzeitig abschätzen und wissenschaftlich erfassen, um sie zu beherrschen oder gänzlich zu vermeiden.

Mögliche Risiken von Nanopartikeln Eine zentrale Frage der Nanotechnologie-Diskussion sind Risiken für Gesundheit und Umwelt durch ultrafeine Teilchen, wie sie beispielsweise auch ohne Nanotechnologie bei unvollständiger Verbrennung entstehen. Nanopartikel könnten eine Gefahr für die Gesundheit darstellen und sind daher ein wichtiges Thema bei der Technikfolgenabschätzung.

Es gilt zu klären, ob durch Einatmen von Nanopartikeln Atemwegserkrankungen und Krebs entstehen , ob langfristig eintretende Gesundheitsschäden durch regelmäßig verwendete Nano-Kosmetika oder Nebenwirkungen durch die Verwendung von Nano-Medikamenten auftreten, ob Wechselwirkungen zwischen Nanopartikeln und Lebensmittelbestandteilen auftreten und ob Nanopartikel die Umwelt schädigen könnten.

Deshalb ist es wichtig, diverse Sicherheitsaspekte einzuhalten. In deutschen und europäischen Expertengremien werden Maßnahmen der Risikoerkennung und -vermeidung diskutiert und geplant.

NanoDialog und Nanokommission Die Nanokommission setzt sich aus Vertretern der Wirtschaft, Bundesministerien und Umwelt- und Verbraucherschutzverbänden zusammen und berät das Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit und andere beteiligte Ressorts zu möglichen Chancen und Risiken von Nanomaterialien für Umwelt und Gesundheit im Rahmen des bundesweiten NanoDialogs.

Geleitet wird die Kommission von Herrn Staatssekretär a. D. Wolf-Michael Catenhusen. Fachliche Unterstützung leisten Experten in drei Arbeitsgruppen:

Arbeitsgruppe 1 beschäftigt sich mit den Chancen von Nanomaterialien für den Umwelt-/ Gesundheits- und Verbraucherschutz Arbeitsgruppe 2 arbeitet an den Themen Risiken und Sicherheitsforschung und Arbeitsgruppe 3 bereitet einen Leitfaden für einen verantwortungsvollen Umgang mit Nanomaterialien vor.

5.Forschung, Förderung, Aufklärung

• Institutionen • staatl. Fördergelder • nano Truck

BMBF etc...

9.Literatur

10.Links/Quellen

11.siehe auch