Nanosilber keine Erfindung des 21. Jahrhunderts bereits vor 100 Jahren genutzt

Nanosilber keine Erfindung des 21. Jahrhunderts

Antimikrobielle Wirkung des „kolloidalen Silbers“ bereits vor 100 Jahren genutzt

Nanosilber ist keine neue Erfindung der Nanotechnologien, sondern bereits seit mehr als 100 Jahren in verschiedenen Produkten im Einsatz. Dies zeigt eine jetzt in der Fachzeitschrift „Environmental Science & Technology“ veröffentlichte Studie. Demnach wurden 1889 Silberpartikel mit einem Durchmesser von nur sieben bis neun Nanometer erwähnt. Schon damals wurde die antimikrobielle Wirkung der winzigen Silberteilchen genutzt, die als „kolloidales Silber“ bekannt waren. Nanopartikel im Boden © Kammer / Le Coustumer Etliche Nanomaterialien stehen derzeit im Fokus der Öffentlichkeit. Besonders Silbernanopartikel werden sowohl von Wissenschaft als auch von Behörden detailliert untersucht. Zurzeit sind Hunderte von Produkten im Umlauf, die Silbernanopartikel enthalten, zum Beispiel Kosmetika, Lebensmittelverpackungen, Desinfektions- und Reinigungsmittel, aber auch antibakterielle Socken und Unterwäsche. Weltweit werden pro Jahr rund 320 Tonnen Nanosilber eingesetzt. Einiges davon gelangt über das Abwasser in den Wasserkreislauf. Keine Erfindung des 21. Jahrhunderts Doch das Nanosilber und seine Nutzung ist keine Erfindung des 21. Jahrhunderts, wie die Forscher Bernd Nowack und Harald Krug von der Eidgenössischen Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa herausgefunden haben. In ihrer in der Fachzeitschrift „Environmental Science & Technology“ veröffentlichten Studie berichten sie , dass bereits 1889 Silberpartikel mit einem Durchmesser von nur sieben bis neun Nanometer erwähnt wurden. Verwendet wurden diese in Heilmitteln oder in Bioziden, um das Wachstum von Bakterien auf Oberflächen zu vermeiden. Zum Beispiel in antibakteriellen Wasserfiltern oder in Algiziden für Swimmingpools. Anderer Name, gleiches Material Bekannt waren die Nanoteilchen als „kolloidales Silber“. Doch gemeint ist damals wie heute das Gleiche: extrem kleine Silberpartikel. Neu ist lediglich die Verwendung der Vorsilbe „Nano“. „Doch“, so Bernd Nowack, „Nano bedeutet weder, dass etwas neu, noch, dass es von vorneherein schädlich ist.“ Als das „kolloidale Silber“ in den 1920er-Jahren in großen Mengen auf den Markt kam, löste das zahlreiche Studien und entsprechende Regulierungen seitens der Behörden aus. Schon damals war den Entdeckern der Nanopartikel also deren Bedeutung und Wirkungsweise bewusst. „Das bedeutet aber nicht, dass die möglichen Auswirkungen der Nanopartikel auf Mensch und Umwelt verharmlost werden sollten“, sagt Nowack. Wichtig sei, die Materialeigenschaften von Nanosilber genau zu charakterisieren und nicht einfach die Vorbehalte gegenüber Nanosilber zu glauben. Nanosilber wirkt anders als Silber Unter Nanopartikeln sind Teilchen mit einer Größe von unter 100 Nanometer zu verstehen. Aufgrund ihrer extremen „Kleinheit“ besitzen Nanoteilchen andere Eigenschaften als größere Partikel desselben Materials. So weisen Nanopartikel pro Volumeneinheit eine viel größere Oberfläche auf. Dadurch sind sie beispielsweise häufig reaktiver. Nanosilber gibt zudem, bei geringerem Materialeinsatz, mehr Silberionen ab als solides Silber. Die gelösten Silberionen wirken auf Bakterien toxisch und töten diese ab. Ob Nanosilber ein Risiko für Mensch und Umwelt darstellt, ist Gegenstand von derzeit laufenden Untersuchungen. Nanosilber in der Kläranlage Welche Wirkung die Silberpartikel auf Flüsse, Böden und die darin lebenden Organismen haben, ist noch nicht im Detail geklärt. Ein jetzt in „Science“ erschienener Kommentar von Bernd Nowack diskutiert die Implikationen der neuesten Studien zu Nanosilber in Kläranlagen. Mehr als 90 Prozent wird gebunden und reichert sich im Klärschlamm in Form von Silbersulfid an. Dieses Silbersalz ist extrem schwerlöslich und um Größenordnungen weniger giftig als freie Silberionen. Dabei spielt die ursprüngliche Form des Silbers im Abwasser – ob als metallische Nanopartikel, ob gelöst als Silberionen oder als unlöslicher Silbersalzniederschlag – offenbar keine Rolle. „Was die Umweltauswirkungen angeht, dürfte sich Nanosilber in Konsumgütern nicht von anderen Formen von Silber unterscheiden und für Ökosysteme nur ein geringes Problem darstellen“, sagt Nowack. Geklärt werden müsse aber noch, in welcher Form das nicht gebundene Silber im Abfluss der Kläranlagen vorliege und was mit dem Silbersulfid in natürlichen Gewässern geschehe, ob es etwa stabil ist oder wieder in andere Silberformen umgewandelt wird.

(Empa - Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt, 28.01.2011 - NPO)

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http://www.scinexx.de/wissen-aktuell-12911-2011-01-28.html

Ausgewählte Meilensteine der Nanotechnologie

Eine Rede machte den Anfang...

Ausgewählte Meilensteine der Nanotechnologie

1959 Der Physiker Richard Feynman hält unter dem Titel: "There's Plenty of Room at the Bottom" vor der Amerikanischen Physikalischen Gesellschaft eine wegweisende Rede zu einer zukünftigen Nanotechnologie. 1981 Am IBM Forschungslaboratorium in Zürich entwickeln Gerd Binnig und Heinrich Rohrer das Rastertunnelmikroskop. Mit seiner Hilfe können erstmals Atome nicht nur sichtbar gemacht sondern auch bewegt werden. In den "Proceedings of the National Academy of Sciences" (PNAS) erscheint die erste Fachveröffentlichung zum Thema molekulare Nanotechnologie. Der Autor ist Eric Drexler, ein Forscher am Space Systems Laboratory des Massachussetts Institute of Technology (MIT). 1985 Richard Smalley von der amerikanischen Rice Universität entdeckt eine völlig neue Form des Kohlenstoffs: Ein fußballförmiges Molekül aus 60 Kohlenstoffatomen, das Buckminsterfulleren. 1986 Gerd Binnig und Heinrich Rohrer erhalten den Nobelpreis für ihre Entwicklung des Rastertunnelmikroskops. Der am MIT arbeitende Ingenieur Eric Drexler gründet das Foresight Institute in Palo Alto, Kalifornien. Widmen soll sich das Institut den "kommenden Möglichkeiten, Materialien und Produkte mit atomarer Präzision zu bauen." 1987 Die Forscher Theodore Fulton and Gerlad Dolan von den Bell Laboratories konstruieren den ersten Ein-Elektron-Transistor. 1988 synthetisieren William deGrado und seine Kollegen an der DuPont Universität erstmals ein Protein, in dem sie es Baustein für Baustein entwerfen und konstruieren. An der amerikanischen Stanford Universität wird zum ersten Mal offiziell ein Kurs "Nanotechnologie" angeboten. Der Dozent: Eric Drexler. 1989 Züricher IBM-Forscher schreiben mithilfe des Rastertunnelmikroskops aus 35 Xenonatomen das Logo ihres Unternehmens auf eine Atomoberfläche. Die erste internationale Nanotechnologie-Konferenz findet in Palo Alto, Kalifornien statt. 1990 Die Nanotechnologie erhält erstmals ein eigenes Fachjournal: Die erste Ausgabe von "Nanotechnology", herausgegeben vom britischen Institute of Physics erscheint im Juli. 1991 Der japanische Forscher Sumio Iijima entdeckt die Nanotubes, wenige Nanometer kleine Röhrchen aus Kohlenstoff mit ungewöhnlichen Eigenschaften. Mehrere Unternehmen beginnen eigene Forschungsprogramme zur Nanotechnologie, darunter auch IBM. J. A. Armstrong, Leiter der Forschung, schreibt dazu: "Ich glaube, dass Nanowissenschaft und Nanotechnologie zentral für die nächste Epoche des Informationszeitalters sein werden..." Auch das japanische Handels- und Industrieministerium will Nanoforschung verstärkt fördern. 1992 Das renommierte Wissenschaftsmagazin Nature veranstaltet in Tokio ihre erste internationale Nanotechnologiekonferenz. Im gleichen Jahr stellt das Institute for Scientific Information fest, dass die Vorsilbe "nano..." unter den neuen Fachjournalen besonders häufig vertreten ist. 1996 Richard Smalley erhält den Nobelpreis für seine Entdeckung des Buckminsterfullerens. 1997 Nadrian Seeman von der New York Universität konstruiert ein DNA-basiertes nanomechanisches Bauteil und demonstriert damit die generelle Eignung der DNA für nanotechnologische Anwendungen. 1998 Forscher des IBM Nanotechnologieprogramms entwickeln den ersten Nanotube-Transistor. Ein einzelnes Nanoröhrchen wurde dafür auf einen Silizium-basierten Feldeffekttransistor appliziert. 1999 Mark Reed und James Tour von der Yale Universität entwickeln einen elektronischen Schalter aus nur einem organischen Molekül. In Deutschland werden unter Förderung des BMBF fünf neue Kompetenzzentren für Nanotechnologie eingerichtet. Ihre Forschungsschwerpunkte umfassen unter anderem Nanoanalytik, Nanostrukturen für die Optoelektronik, ultradünne funktionelle Schichten und Nanochemie. 2000 Forscher der Cornell Universität erschaffen einen funktionierenden Nanopropeller durch Kombination eines Enzyms mit winzigen Nickelpropellern. Der amerikanische Computerexperte Bill Joy warnt im Magazin "Wired" vor den Risiken der Zukunftstechnologien und beschwört Visionen von alles zerstörenden amoklaufenden Nanobots herauf. Sein Artikel sorgt weltweit für Aufsehen und kontroverse Diskussionen. 2001 Forscher von IBM und der Universität von Delft konstruieren die ersten Nanotransistoren und logischen Gatter, die komplett aus Nanoröhrchen bestehen. 2002 Forscher der Cornell Universität konstruieren einen Transistor aus nur einem speziell entworfenen und konstruierten Molekül zwischen zwei Goldelektroden. Der taiwanesische Halbleiterhersteller TSMC kündigt an, einen nur neun Nanometer kleinen CMOS Transistor bauen zu wollen.

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Nanotechnologie in der öffentlichen Diskussion

Zwischen Euphorie und Panikmache

Nanotechnologie in der öffentlichen Diskussion

Sie sind klein, sehr klein - und vernichten alles Leben, dass sich ihnen in den Weg stellt. Für Bestsellerautor Michael Crichton hat das Böse ein neues Gesicht - das der Nanotechnologie. In seinem Buch "Prey" - auf deutsch "Beute" - erscheint es in Form nanometergroßer Roboter, die sich unkontrolliert vermehren und zu einem intelligenten, die Erde und alles Leben bedrohenden Schwarm entwickeln. Nanoassembler © NASA/MMCD Obwohl es sich bei Crichtons Werk "nur" um einen Roman handelt, trifft der Autor doch den Nerv. Die realen oder vermeintlichen Schattenseiten der neuen, vielerorts so euphorisch gefeierten Technologie werden heute sowohl in der breiten Öffentlichkeit als auch in wissenschaftlichen Kreisen immer wieder thematisiert und kontrovers diskutiert. Der amerikanische Computerexperte Bill Joy äußerte beispielsweise im März 2000 die provokante These: "Die neuen Techniken können eine noch größere Bedrohung für die Menschheit darstellen als die Massenvernichtungswaffen des 20. Jahrhunderts." Seine im Magazin "Wired" erschienenen düsteren Szenarien von einer durch amoklaufende Nanoroboter und nanotechnologischem Terror geprägten Zukunft lösten, nicht zuletzt auch im Feuilleton der FAZ, hitzige Debatten aus. Doch Joy ist bei weitem nicht der einzige, der von "Nanoängsten" umgetrieben wird. Anfang 2003 fordert die Umweltorganisation ETC ein totales Verbot jeder Nanoforschung für mindestens zwei Jahre. Ihre Begründung: Nationale und internationale Kontrollinstanzen und Gesetzgeber hinken den wissenschaftlichen Entwicklungen in der Nanotechnologie so weit hinterher, dass bislang weder genügend Informationen über die möglichen sozioökonomischen, ökologischen oder gesundheitlichen Auswirkungen der Technologie, noch irgendwelche Kontrollmechanismen vorhanden sind. Wenig später warnt auch eine Gruppe kanadischer Forscher unter dem Titel "Mind the Gap", vor der sich aufweitenden Kluft zwischen Wissenschaft und Ethik in der Nanotechnologie. Unter ihnen auch Peter Singer, Leiter des Bioethikzentrums der Universität von Toronto. Er sieht dringenden Handlungsbedarf: "Entweder muss die Wissenschaft langsamer werden oder die Ethik muss aufholen. Während jedoch einige Leute ein Moratorium wollen, um die Forschung zu bremsen, wollen wir die Ethik beschleunigen und so die Kluft schließen." Doch sind solche Ängste und Forderungen überhaupt gerechtfertigt? Nach Ansicht vieler Nanowissenschaftler sind die meisten durch die Medien geisternden Szenarien - die positiven wie die negativen - unrealistisch und weit hergeholt. Gerade die vielzitierten Nanobots oder "Assembler" gehörten - noch jedenfalls - eher in das Reich der Science-Fiction als der Wissenschaft. Der Physiker Arne Chausseen konstatierte dazu im Jahr 2000 auf einer Tagung des Wissenschaftszentrums Nordrhein-Westfalen zur Bill-Joy-Debatte: "Tatsächlich existieren aber heute nicht einmal simple Vorstufen dieser omnipotenten Fabriken des Nanokosmos. Die Realität erscheint gegenüber den faszinierenden Utopien von Nanobots offensichtlich als zu blass." Auch Harald Fuchs, Koordinator des Kompetenzzentrums Nanoanalytik und Direktor des Physikalischen Instituts der Universität Münster beklagt die "Panikmache" und fordert: "Bevor man die Nanotechnologie wegen Gefahren verdammt, die möglicherweise erst in Jahrzehnten realisiert werden können, sollte man sich die Potenziale vor Augen führen, die sie schon heute hat."

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Schöne neue Nanowelt?

Schöne neue Nanowelt?

Die Zukunftsvisionen der Nanotechnologen

"Replikator - eine Tasse Tee, einen Apfel und einen Taschenrechner bitte!" - Kein Problem: In der Science-Fiction-Serie "Star Trek" kann die in jedem Raum des Raumschiffs Enterprise vorhandene "Wundermaschine" Replikator alles: Egal, ob es sich um lebende oder unbelebte Materie handelt, das Gerät schafft scheinbar aus dem Nichts und in Sekundenschnelle jeden Gegenstand - lautlos, effizient und ohne lästige Rückstände oder Abfälle. Bloße Fantasie? Nicht ganz. Glaubt man den Zukunftsszenarien von Nanopionier Eric Drexler, könnte es eine ähnliche Wundermaschine in vielleicht nicht allzuferner Zeit tatsächlich geben - in Form von winzigen, sich selbst replizierenden Nanofabriken. Eric Drexler vor einem Nanomaschinenmodell © Foresight Institute Ein solcher "Nanoassembler" könnte, so seine Vorstellung, jeden beliebigen Gegenstand, auch sich selbst, herstellen, indem er ihn mithilfe von Nanogreifern Stück für Stück aus einzelnen Atomen zusammensetzt. Alles was er dafür bräuchte wäre - statt Tonnen von Rohstoffen und Reagenzien - lediglich eine Art atomarer Grundbaukasten. Drexler zufolge wäre es durchaus möglich, dass schon in den nächsten ein bis drei Jahrzehnten die Grundlage für solche molekularen Nanofabriken gelegt werden. Inzwischen halten zwar auch andere Nanoforscher solche Nanoassembler prinzipiell für machbar - wann allerdings dies sein wird, darauf wollen sie sich in der Regel lieber nicht festlegen. Noch haben sie schließlich schon bei den allerersten Schritten hin zu einer molekularen Nanotechnologie mit reichlich Problemen zu kämpfen... Doch nicht nur für Produktionsprozesse, auch in der Medizin könnte die Nanotechnologie uns zukünftig vielleicht eine "schöne neue Nanowelt" bescheren: "Stell dir vor, wie spannend die Medizin wäre, wenn du den Chirurgen schlucken könntest. Du setzt den mechanischen Arzt einfach in ein Blutgefäß und er wandert bis ins Herz und sieht sich dort um." - Als der Physiker Richard Feynman 1959 seine Vision einer nanotechnologischen Medizin vorstellte, waren solche Anwendungen noch reine Zukunftsmusik. Heute allerdings sieht das schon ganz anders aus: Ein Forschungsteam der Universität von Kalifornien in Irvine hat gerade von den amerikanischen Institutes of Health (NIH) Fördergelder in Höhe von 1,4 Millionen US-Dollar für die Entwicklung einer medizinischen Nanosonde erhalten. Diese Sonde soll, einmal dem Patienten eingeflößt, eigenständig durch Speiseröhre, Magen und Darm wandern und mithilfe einer bordeigenen Visualisierungstechnologie, der so genannten "optischen Kohärenz-Tomographie", dabei mögliche Tumore und Krebsvorstufen in den Organwänden ausfindig machen. Auch andere Laboratorien, darunter eine Projektgruppe von NASA und National Cancer Institute arbeiten bereits seit einigen Jahren an der Entwicklung von biomolekularen Sensoren im Kleinformat. Auch wenn es sich letztendlich dabei wahrscheinlich eher um Mikro- als um echte Nanosonden handeln wird, ein erster Schritt zur Realisierung von Feynmans Visionen wäre damit immerhin gemacht. Und auch Carlo Montemagno, der Entwickler eines ersten Nanomotors mit Propellerantrieb, sieht in Nano-U-Booten für den medizinischen Einsatz eine durchaus realistische Zukunftsprognose. "Es ist sehr, sehr wahrscheinlich. Einer meiner Mitarbeiter arbeitet bereits an einem Projekt mit genau diesem Ziel."

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Biomoleküle in der Nanotechnologie

Nano goes Nature

Biomoleküle in der Nanotechnologie

Was bei uns als Zukunftstechnologie und neue Errungenschaft groß gefeiert wird, ist für die Natur längst ein alter Hut: Nanotechnologie kennt und nutzt sie bereits seit Jahrmillionen. Jede Zelle eines lebenden Wesens ist letztendlich nichts anderes als ein Nanoassembler - eine sich selbst replizierende, molekulare Maschine im Nanometermaßstab. Sie verwendet atomare und molekulare Bauteile, um daraus sowohl Kopien ihrer selbst als auch komplexe Biomoleküle wie beispielsweise Enzyme, Hormone oder Proteine zu produzieren. Nanopropeller aus ATPase © NASA Und auch für viele unserer makroskopischen Technologien existiert bereits eine Analogie in der Nanowelt der Zellen und Zellbestandteile: Ein auf der Zellmembran aufsitzender Rotationsmotor treibt die Geißel von Bakterienzellen an, die Proteinproduktion in einem Ribosom gleicht in vielen Aspekten unserer Fließbandproduktion und die in der Zellmembran sitzenden Transportkanäle sind im Prinzip sensorgesteuerte Automatiktüren. Was liegt daher näher, als sich bei Entwicklung der Nanotechnologie aus dem Fundus der Natur zu bedienen? Nanopropeller... Carlo Montemagno und seine Kollegen von der amerikanischen Cornell Unversität taten genau das: Sie konstruierten einen der ersten funktionsfähigen Nanomotoren, indem sie biologische und anorganische Komponenten miteinander kombinierten. Der Hybridmotor besteht aus einem mutierten ATPase-Molekül, dem Enzym, das in lebenden Systemen das energiereiche Molekül ATP abbaut und so dessen Energie freisetzt. Die Forscher verknüpften das leicht veränderte Enzym mit winzigen Propellern aus Nickel. Dank der von der ATPase gelieferten Energie rotierten die zwischen 150 und 750 Nanometer großen Nanopropeller mit immerhin acht Umdrehungen pro Sekunde. "Wir nutzen einfach den gleichen Treibstoff, den das Leben nutzt", erklärt der Forscher in seiner Veröffentlichung. "Diese Experimente könnten ein entscheidender Schritt in der Realisierung von logischen und nutzbaren biomolekularen motorgetriebenen Strukturen sein." DNA im RTMDNA-Motoren... Einen etwas anderen Ansatz verfolgen zur Zeit gleich mehrere nanotechnolgische Arbeitsgruppen: Sie versuchen auf verschiedenste Weise, die DNA, die Erbsubstanz aller Lebewesen, in Motorkonstruktionen zu integrieren oder das komplexe Molekül gleich komplett als Nanomotor zu nutzen. Teilweise sogar mit Erfolg. Allerdings hat bislang keiner dieser DNA-Nanomotoren wirklich sinnvolle, in einem molekularen Maschinensystem nutzbare Arbeit ausführen können. ...und eine Schubkarre Eher kurios mutet der Versuch von Wissenschaftlern des französischen CEMES-CNRS-Instituts und der Freien Universität Berlin an, eine Schubkarre im Nanomaßstab zu konstruieren. Ihr Entwurf sah ein 1,6 Nanometer breites und 1,5 Nanometer langes, dreirädriges Gefährt vor, das sie mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskops (RTM) über eine Kupferoberfläche schieben wollten. Dummerweise zeigten Berechnungen, dass schon beim ersten Schiebeversuch des RTMs die Hinterräder der Schubkarre zusammenbrechen würden. Versuchte man, diese durch Einfrieren zu stabilisieren, blieb stattdessen das Vorderrad in der Kupferoberfläche stecken. Doch die Wissenschaftler arbeiten bereits an einem verbesserten Entwurf... Auch wenn bislang viele solcher Nanokonstruktionen nicht oder nur ungenügend funktionieren, allein die Vielzahl und Verschiedenartigkeit der Ansätze könnte dafür sorgen, dass bald auch die ersten erfolgreichen Nanomaschinen zum Einsatz kommen. Nach Ansicht der meisten Nanoforscher ist dies allenfalls eine Frage der Zeit, nicht jedoch der generellen Machbarkeit.

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Baukastenspiele im Nanoformat

Baukastenspiele im Nanoformat

Von Nanogetrieben, Taschenlampen und Transistoren

Nanoröhrchen sind die "Legosteine" der Nanowissenschaften: In Labors weltweit basteln und tüfteln Forscher an Methoden, die winzigen Alleskönner zu immer neuen Gebilden und Strukturen zusammenzubauen. Auch wenn die Ergebnisse ihrer Bemühungen manchmal eher wie Kinderspielzeug denn anwendungsorientierte Forschung erscheinen, die ersten Erfolge gibt es bereits. Am Ames Forschungszentrum der NASA haben Wissenschaftler beispielsweise winzige Zahnradgetriebe aus Nanoröhrchen konstruiert. Vorstehende, in die Kohlenstoffwand des Röhrchens integrierte Atome dienen dabei als Zähne. Nanoröhrchen © NASA Vorsprünge einer etwas anderen Art hat ein Forscherteam der amerikanischen Rice University entwickelt: Ihnen gelang es Anfang 2003 erstmals Aminogruppen an den Seitenwänden von einwandigen Nanoröhren zu befestigen. Diese funktionellen Gruppen eröffnen nun erstmals die Möglichkeit, Nanoröhren direkt über chemische Bindungen zu längeren Ketten oder verzweigten Molekülen zusammenzufügen oder fest mit anderen Moleküle zu verbinden. Damit könnten zukünftig beispielsweise ultrastabile Verbundmaterialien oder auch Transportvehikel für Arzneiwirkstoffe konstruiert werden. Wissenschaftler des Computerherstellers IBM kreierten im Herbst 2002 einen funktionsfähigen Transistor im Nanomaßstab. Seine Schaltkreise bestanden aus einem Muster von Kohlenmonoxid-Molekülen auf einer Kupferoberfläche. Durch eine einer Dominosteinkaskade ähnlichen Atombewegung konnte dieser miniaturisierte Logikschaltkreis immerhin bereits "und" und "oder" Funktionen ausführen. Der komplexeste dieser Atom für Atom in "Handarbeit" gebastelten Schaltkreise hatte eine Größe von gerade zwölf mal sieben Nanometern. 190 Millionen von ihnen würden auf das Ende eines Bleistifts passen. Forschern des gleichen Laboratoriums gelang es wenig später, aus Nanotubes die "wahrscheinlich kleinste Taschenlampe der Welt" zu produzieren. Die Miniatur-Lichtquelle besteht aus einer einzelnen Kohlenstoff-Röhre mit einem Durchmesser von 1,4 Nanometern, die als Transistor konfiguriert wurde. Über eine Spannung, die an den beiden Nanotransistorenden angelegt wird, können die Wissenschaftler die Lichtquelle an- und abschalten. Die IBM-Forscher hoffen, solche Nanolichtquellen in Zukunft beispielsweise als Bauteile für elektro-optische Speicher- oder Übertragungsmedien einsetzen zu können.

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http://www.g-o.de/dossier-detail-54-9.html

Hoffnungsträger Nanotubes

Hürdenlauf im Reich der Röhrchen

Hoffnungsträger Nanotubes

Sie sind winzig und hohl, bestehen aus reinem Kohlenstoff und können fast alles - die Nanokarbonröhrchen. Sie gelten als die "Wundermoleküle" der Nanotechnologie, als wichtigster Baustein für zukünftige Anwendungen und Errungenschaften. Gittermodell eines Nanotube © NASA/NAS Und in der Tat sind die Fähigkeiten der 1991 entdeckten Miniröhrchen erstaunlich: Obwohl sie im Prinzip nur aus einem einschichtigen, zusammengerollten Kohlenstoffnetz bestehen, sind Nanotubes zehnmal zugfester als Stahl und fast doppelt so stabil wie Diamant, das bislang härteste Material der Welt. Die nur einen bis wenige Nanometer dünnen und mehrere Mikrometer langen Kohlenstoffröhren können sich zudem sowohl wie ein Metall als auch wie ein Halbleiter verhalten - und sind damit geradezu prädestiniert für einen Einsatz in zukünftigen Nanotransistoren und anderen elektronischen Bauteilen. Die Art der Rollung macht den Unterschied...Die Sache hat zur Zeit allerdings noch einen Haken: Welches elektrische Verhalten ein Nanoröhrchen an den Tag legt, hängt entscheidend von seinem Durchmesser und der Anordnung der Kohlenstoffatome in der Röhrchenwand ab. Genau diese Eigenschaften aber lassen sich bisher bei der noch sehr aufwendigen Produktion der Winzlinge noch kaum beeinflussen. "Alle Proben, die wir bisher produzieren können, sind ein Mix aus metallischen und halbleitenden Tubes", räumt Jie Liu, Chemiker am Nanotechnologiezentrum der Duke Universität ein. IBM-Forscher haben zwar inzwischen ein Verfahren zur nachträglichen Trennung beider Röhrchenarten entwickelt, doch ein echter Durchbruch steht noch aus. Dies ist auch der Tenor eines im Oktober 2002 erschienenen Nature-Artikels: "Die Schwierigkeiten sind wahrscheinlich nicht unüberwindlich", heißt es dort als Fazit, "aber sie haben bereits einige Wissenschaftler dazu gebracht, ihre Aufmerksamkeit anderen Dingen zuzuwenden." Doch der Großteil der Nanoforscher denkt beileibe nicht daran aufzugeben. Im Gegenteil. Die amerikanische Firma Carbon Nanotechnologies beispielsweise stellt unverdrossen rund ein halbes Kilogramm Nanotubes täglich her - und kommt der Nachfrage aus der Forschung kaum hinterher. Sie plant nun, die Produktion auf mindestens 500 Kilogramm pro Tag aufzustocken. Auch der japanische Großkonzern Mitsubishi kündigte noch im Herbst 2002 an, zukünftig in großem Maßstab in die industrielle Nanotubeproduktion einsteigen zu wollen...

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http://www.g-o.de/dossier-detail-54-8.html

Welche Nanoanwendungen gibt es bereits?

Sonnencremes und Lotusfarben

Welche Nanoanwendungen gibt es bereits?

Ameise mit Minizahnrad © FZ Karlsruhe Zahnräder kleiner als ein Ameisenfuß, winzige Schalter oder Transistoren mit Leitungsbahnen von nur wenigen Tausendstel Millimetern - dem Schrumpfungsprozess der Technik scheinen keine Grenzen gesetzt. Alles wird immer kleiner, kompakter und dabei dennoch leistungsfähiger, so scheint es. Hat das Nanozeitalter also schon begonnen? Nur bedingt. Denn die meisten Miniaturtechnologien der Gegenwart sind in Wirklichkeit keineswegs nano, sondern eher mikro oder meso - und damit um ein bis zwei Größenordnungen zu groß. Doch das könnte sich schnell ändern. Schon sind die ersten Anwendungen "echter" Nanotechnologie auf dem Markt und das Wettrennen um Patente, Lizenzen und Märkte ist in vollem Gange. Von Unternehmensriesen wie Hewlett-Packard, BASF, Toyota oder IBM bis hin zu kleinsten Nanofirmen wie Nanophase oder Nancarbontech; von Computerfirmen, Autoherstellern, Pharmakonzernen bis zu Kosmetikherstellern reicht die bunte Palette all derer, die sich ein saftiges Stück vom "Nanokuchen" versprechen. Neue Materialien Ein Großteil der anwendungsorientierten Nanoforschung konzentriert sich dabei auf die Entwicklung von neuen, nanostrukturierten Materialien. Ziel ist es, deren chemische Bausteine oder Oberflächenstrukturen auf Nanometermaßstab zu schrumpfen und dadurch ganz neue Eigenschaften zu erzeugen. So verdanken die seit neuestem auf dem Markt erhältlichen transparenten Sonnencremes ihre Existenz nanometerkleinen Zinkoxidpartikeln. Sie sind zu klein, um das einfallende Sonnenlicht zu streuen und daher erscheint die normalerweise milchige Flüssigkeit jetzt transparent. In Fassadenanstrichen, Verputz oder Verglasungen sorgen Nanoteilchen beispielsweise mittels "Lotuseffekt" für eine schmutzabweisende Oberfläche. Die nanometergroßen Rillen oder Schüppchen lassen dabei Wasser und Schmutz, aber auch Bakterien, ohne Rückstände abperlen. Andere Nanoteilchen könnten in Zukunft Brillengläser kratz- und schlagfest machen oder Wandkonstruktionen vor Feuer schützen. Nano für die Umwelt... Und auch die Umwelt profitiert bereits vom Nanoboom: Filter mit Nanoporen und Katalysatoren, denen Nanomaterialien mehr Effektivität verleihen, verringern zunehmend Schadstoffausstoß und Rohstoffverbrauch. ...und die Computerindustrie Die größten Vorteile erhofft sich allerdings die ohnehin auf Miniaturisierungskurs steuernde Computerindustrie. Schon jetzt werden die Schaltkreise und Leiterbahnen auf Computerchips in Bruchteilen von Millimetern gemessen. Doch die Siliziumtechnologie stößt langsam an die Grenzen ihrer Verkleinerbarkeit. Die Nanotechnologie scheint auch hier die ersehnte Lösung zu bringen: Forscher der NASA haben beispielsweise bereits einen Chip konstruiert, in dem Kohlenstoffnanoröhrchen die herkömmlichen Kupferverbindungen ersetzen und damit den Weg zu weiterer Miniaturisierung ebnen könnten. IBM gelang es 2001 einen Transistor aus Nanotubes zu konstruieren. Der Festplatten-Hersteller Seagate experimentiert zur Zeit mit einem Verfahren, bei dem mithilfe eines Proteins nanomagnetische Speichermaterialien erzeugt werden sollen. Dieter Weller, Leiter der Abteilung für Medienforschung bei Seagate sieht allerdings noch einige Hürden auf dem Weg zu nanomagnetischen Speichermaterialien. Er schätzt, dass es noch mindestens sechs bis zehn Jahre dauern könnte, bis Speichermedien auf der Basis dieser Technologie auf den Markt kommen...

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Was ist Nanotechnologie?

Lego ohne Boxhandschuhe

Was ist Nanotechnologie?

Annehmlichkeiten der Technik wie Autos, Fernseher oder Kühlschränke sind aus unserem Leben heute kaum mehr wegzudenken. Doch um sie herzustellen benötigen wir in der Regel große Fabriken, gewaltige Mengen an Energie und Rohstoffen und meist einen langwierigen, vielschrittigen Herstellungsprozess. Am Ende erhalten wir auf diese Weise unser fertiges Produkt, aber gleichzeitig auch eine ganze Reihe von unerwünschten und umweltschädlichen Abfällen. Atome in Nahaufnahme © FZ Jülich Für den Nanotechnologiepionier Ralph Merkle gleichen die heutigen Produktionsmethoden daher dem Versuch, mit Boxhandschuhen Bauwerke aus Legosteinen zu errichten: "Du kannst die Legosteine auf einen großen Haufen schieben und sie vielleicht sogar auftürmen, aber du kannst sie nicht genau so zusammenfügen, wie du es möchtest." Selbst bei der Herstellung von winzigen, nur wenige hundert Atome breiten Leiterbahnen auf Computerchips werden über aufwändige elektrochemische Synthesewege noch gewaltige Herden von Atomen indirekt und entsprechend ungenau hin und her bewegt. Doch die Nanotechnologie, so umschreibt es Merkle, könnte uns dieser "Boxhandschuhe" entledigen. Dann nämlich, wenn wir Werkzeuge nutzen, die selbst nicht viel größer als Atome sind und so eine direkte Manipulation dieser Materiebausteine erlauben. Ohne großen Aufwand könnten wir so direkt zum jeweils gewünschten Endprodukt gelangen - einfach durch gezieltes Aufeinander- und Aneinandersetzen unserer "Legosteine". Diese Konstruktion von Materialien oder Gegenständen aus ihren einzelnen Atomen mithilfe von physikalischer oder chemischer Manipulation wird heute auch als "Bottom-Up"-Ansatz bezeichnet. Wissenschaftler können dank moderner technischer Hilfsmittel wie dem Rastertunnel- oder dem Rasterkraftmikroskop mittlerweile tatsächlich einzelne Atome bewegen und beispielsweise gezielt auf einer Oberfläche absetzen. Weltbekannt wurde hier das Experiment von Forschern des Computerherstellers IBM, die in den 1980er Jahren mithilfe eines Rastertunnelmikroskops das Logo ihres Unternehmens aus 35 einzelnen Xenonatomen "schrieben". Ähnliches realisierten später auch NASA-Wissenschaftler mithilfe eines Rasterkraftmikroskops: Nanogetriebe © NASA Doch das Spiel mit den Atomen ist nur eine der beiden möglichen Strategien in der Nanotechnologie. Einen ganz anderen Weg geht der "Top-Down"-Ansatz. Er verfolgt das Ziel, bereits existierende Geräte oder Bauteile einfach immer kleiner zu machen, bis sie irgendwann auch im Nanomaßstab erzeugt werden können. Ein typisches Beispiel dafür ist die Miniaturisierung der Computerchips, die inzwischen durch immer ausgefeiltere und genauere Herstellungsmethoden Transistorgrößen von nur noch 250 Nanometern erreichen. Allerdings, um der offiziellen Definition der Nanotechnologie zu genügen, sind diese Transistoren noch immer etwas zu groß: "Nanotechnologie ist die Forschung und Technologieentwicklung auf der atomaren, molekularen oder makromolekularen Ebene in einer Größenordnung von einem bis 100 Nanometern. Sie hat zum Ziel, die Phänomene und Materialien im Nanobereich zu verstehen und Strukturen, Geräte und Systeme zu schaffen und zu nutzen, die aufgrund ihrer geringen Größe neue Eigenschaften und Funktionen besitzen."

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Zoom aufs Atom Wie klein ist Nano?

Zoom aufs Atom

Wie klein ist Nano?

"Drei Größenordnungen schaffen eine neue Wissenschaft" - so beschreibt der Teilchenphysiker Murray Gell-Mann, der Entdecker der Quarks, was Forscher bei ihrer Reise in die Welt des Allerkleinsten erwartet. Und die Welt des Allerkleinsten, das ist für die Nanoforscher das Reich der Atome und Moleküle. Ihre Größenordnung ist der Milliardste Teil eines Meters, das Nanometer. Bakterien - 100 Mal größer als ein Nanometer © CDC Ein Nanometer entspricht gerade einmal zehn Wasserstoffatomen in einer Reihe nebeneinander gelegt. Ein Bakterium, immerhin eines der kleinsten Lebewesen auf der Erde, ist bereits tausendmal größer. Und eine Nadelspitze ist im Vergleich geradezu gigantisch groß: sie umfasst bereits eine Million Nanometer. Doch das Reizvolle an der Nanowelt ist nicht nur die Faszination des Winzigkleinen, des Vordringens in eine Welt des Unsichtbaren. Es ist vor allem auch die Andersartigkeit dieser Miniaturwelt: "Wenn wir hinuntergehen und mit den Atomen dort herumspielen, arbeiten wir unter anderen Gesetzmäßigkeiten, und wir erwarten, auch andere Dinge tun zu können", prognostizierte schon der Physiker Richard Feynman im Jahr 1959. Die Nanowelt bewegt sich an der Grenze zwischen dem Reich der Quantenmechanik und der "Makrowelt", dem für uns "normalen" Bereich. Während im Reich der Quanten noch weitgehend unerforschte Kräfte die Beziehungen der einzelnen Atome untereinander beeinflussen und unkalkulierbar machen, ist es auf der Makroebene erst das kollektive Zusammenwirken von Milliarden von Atomen, das die Eigenschaften von Materialien bestimmt. Im Zwischenreich der Nanowelt herrschen jedoch wieder ganz eigene Gesetze: Reduziert auf die Größe von Atomen entwickeln ganz gewöhnliche Materialien wie Kohlenstoff oder Metalloxide plötzlich neue und unberechenbare Charakterzüge: Die Winzlinge zeigen beispielsweise eine unerwartete chemische Reaktivität, sind extrem und unverhältnismäßig stabil und zugfest, oder weichen in ihrer Leitfähigkeit oder dem elektrischen Widerstand deutlich von ihren größeren Verwandten ab. Und dies alles, obwohl sie in chemischer Hinsicht mit ihnen vollkommen identisch sind - der einzige Unterschied ist die Größenordnung. Quelle : http://www.g-o.de/dossier-detail-54-5.html

Auf dem Weg ins Nano-Zeitalter

"Dort unten ist noch viel Raum"

Auf dem Weg ins Nano-Zeitalter

Nanometergroße Minimaschinen, die einzelne Atome manipulieren können oder als Nano-U-boote durch den menschlichen Blutstrom kreisen - schon im Jahr 1959 waren solche Dinge für den amerikanischen Physiker Richard Feynman nur eine Frage der Zeit, nicht aber der Machbarkeit. In seiner berühmt gewordenen Rede mit dem Titel "Dort unten ist noch viel Raum" konstatierte er: "Die Prinzipien der Physik, so weit ich es sehe, sprechen nicht gegen die Möglichkeit, die Dinge Atom für Atom zu bewegen." Nanosonde © NASA/NCI Zu einer Zeit, als die einfachsten Rechenmaschinen noch den halben Schreibtisch einnahmen, erschienen solche Vorstellungen reichlich absurd, sogar bizarr. Doch der Physiker ließ sich nicht beirren, für ihn war klar, dass die Zukunft der Technik im Kleinen liegen musste: "Im Jahr 2000, wenn sie in unsere Zeit zurückblicken, werden sie sich wundern, warum es bis zum Jahr 1960 gedauert hat, bis sich endlich jemand ernsthaft in diese Richtung bewegt hat." Und Feynman hatte recht: Inzwischen sind nicht nur die Computer auf Miniaturgröße geschrumpft, die Forscher dringen auch immer weiter in die Welt im Nanometermaßstab vor. Mithilfe von Rasterkraft- und anderen hochauflösenden Mikroskopen machen sie das Reich der Atome sichtbar und in zunehmendem Maße auch manipulierbar. Die Nanotechnologie gilt heute, gemeinsam mit der Biotechnologie, als die Zukunftstechnologie schlechthin, das 21. Jahrhundert als "Ära der Nanowissenschaften". Atome im Rastertunnelmikroskop © FZ Jülich Und die Forschung boomt: 1991 entdeckten Nanowissenschaftler die "Nanotubes", kleinste Röhrchen aus Kohlenstoffatomen. Sie gelten heute als mögliche Grundbausteine für zukünftige Nanomaschinen und -bauteile. 1996 bauten IBM-Forscher aus einzelnen Atomen den kleinsten Abakus der Welt und 2003 gelang es erstmals, einen aus künstlichen und biologischen Bestandteilen kombinierten Motor im Nanomaßstab zu konstruieren. Fast täglich werden neue, "bahnbrechende" Ergebnisse aus der Nanotechnologie in den Medien verkündet - in der Regel reich garniert mit leuchtenden Zukunftsszenarien. Gleichzeitig mehren sich jedoch auch die mahnenden Stimmen. Sie warnen vor den unkalkulierbaren Risiken der neuen Technologie und sprechen, wie der amerikanische Computerexperte Bill Joy, gar von einer "Büchse der Pandora". Im Frühjahr 2003 forderte die kanadische Umweltorganisation ETC sogar ein Moratorium für die Nanoforschung, einen Bann ähnlich dem für Bio- und Chemiewaffen. Doch was haben die Horrorszenarien, aber auch die Visionen von einer "schönen neuen Nanowelt", tatsächlich mit der Realität der heutigen Nanotechnologie zu tun? Wie nah sind die Forscher Feynmans Visionen von Atomfabriken und Nano-U-Booten? Ist die Gefahr durch die neue Technologie real?

Quelle :

http://www.g-o.de/dossier-detail-54-4.html