17.03.2014
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Nanotechnologie

Molekulartechnologie
die Erforschung, Herstellung und Anwendung von Strukturen und neuartigen Materialien auf einer Größenskala von etwa 100 nm (1 nm = 109 m) bis 1 nm; gilt als eine Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts mit vielfältigem Anwendungspotenzial. Die Objekte der Nanotechnologie sind deutlich größer als Atome (maximal ca. 0,25 nm), aber kleiner als die Wellenlänge von sichtbarem Licht (380780 nm). Sie können daher nur mit Elektronenmikroskopen, UV-/Röntgenstrahlung oder optischer Nahfeldmikroskopie (Mikroskop [1]) sichtbar gemacht werden.
Nanotechnologische Methoden sind oft Weiterentwicklungen von solchen der Mikroelektronik [2] u. Mikrosystemtechnik [3]. Der Übergang ist fließend, so weisen die kleinsten Strukturen heutiger Mikroprozessoren Größen von 10100 nm auf, dennoch zählt man ihre Fertigung meist noch zur Mikroelektronik. Eindeutig zur Nanotechnologie gerechnet werden dagegen neue, z. T. spekulative Ansätze wie sich selbst reproduzierende „Nanoroboter“, Fabriken oder chirurgische Sonden in Molekülgröße oder künstliche Mikroben.
Seriöse Ansätze der Nanotechnologie befassen sich u. a. mit nanometergroßen Strukturen auf der Oberfläche makroskopischer Objekte (Nanostrukturierung), mesoskopischen Partikeln oder Clustern (d. h. Strukturen, die aufgrund ihrer kleinen Abmessungen sowohl Eigenschaften ausgedehnter Festkörper als auch solche von großen Molekülen aufweisen), Fullerenen und Kohlenstoff-Nanoröhren sowie biologischen Makromolekülen, insbesondere dem die Erbinformation tragenden, schraubenförmigen DNA-Molekül.
Durch ihre Zwischenstellung zwischen makroskopischer u. molekularer Physik zeigen Nanostrukturen viele neuartige und oft nützliche Effekte. Dabei sind zwei Phänomene von besonderer Bedeutung: Die mit zunehmender Miniaturisierung immer stärker ins Gewicht fallenden Auswirkungen der Quantennatur der Materie (Quantentheorie [4]) sowie die Selbstorganisation von Nanostrukturen und -partikeln, welche unter bestimmten Umständen eine automatische Fertigung bzw. Anordnung von Nanoobjekten erlaubt.

Anwendungen

Ein Beispiel für neue Effekte bei Nanomaterialien sind aus 1030 nm großen Partikeln aufgebaute Permanentmagnete, die ein besonders großes und stabiles Magnetfeld aufweisen. Ein natürliches Vorbild für nanostrukturierte Oberflächen ist die Haut von Haien, die aufgrund von winzigen, weniger als 1 μm großen Zähnchen einen deutlich geringeren Strömungswiderstand beim Schwimmen zeigt als eine vollständig glatte Haut. Nach diesem Prinzip konstruierte Beschichtungen für Flugzeuge oder Schwimmanzüge wurden bereits verwirklicht (Bionik). Auch sich selbst reinigende Oberflächen von Fenstern oder Fassaden auf Basis des Lotoseffekts haben die Marktreife erreicht. In der Medizin wird verstärkt an sog. Drug Carriern geforscht, d. h. hohlen Nanopartikeln, in denen sich Medikamente gezielt an einen Krankheitsherd im Körper transportieren lassen, damit sie dort freigesetzt werden.
Eine besondere Rolle spielen die Anfang der 1990er Jahre entdeckten Kohlenstoff-Nanoröhren, die sowohl in einer extrem gut leitenden metallischen als auch in einer halbleitenden Variante hergestellt werden und mit denen man u. a. molekülgroße elektronische Bauelemente konstruieren kann. Erfolg versprechende chemisch-biologische Anwendungen der Nanotechnologie werden im Bereich der Spurenstoffanalytik und der Energie und Rohstoffe sparenden Produktion unter den Stichworten „Labor auf einem Chip“ erwartet. Das DNA-Molekül wird nicht nur wegen seiner Fähigkeit, Erbinformationen zu tragen, erforscht, sondern auch, weil sich mit ihm aufgrund seiner mechanischen Eigenschaften regelrechte Nanogebäude konstruieren lassen.

Risiken

Von den Risiken der Nanotechnologie erscheint am wahrscheinlichsten eine Gefährdung durch Nanopartikel, die sich ebenso wie Feinstäube in der Lunge festsetzen und dort u. a. Entzündungen u. Tumoren hervorrufen können. Auch Allergien und unvorhergesehene Wechselwirkungen mit Lebensmitteln werden diskutiert und untersucht. Wegen ihres großen Oberfläche-zu-Volumen-Verhältnisses sind Nanopartikel zudem physikalisch-chemisch reaktiver als größere Teilchen. Die Gefahr, dass sich replikationsfähige Nanomaschinen unkontrolliert vermehren und Natur und Mensch bedrohen, wird dagegen allgemein als verschwindend gering angesehen.