Als Nanotechnologie bezeichnet man Forschungsvorhaben und Anwendungen, die sich mit Strukturen kleiner als 100nm (= 0,0001 mm) beschäftigen. Sie ist ein Wissenschaftszweig, in dem Physik, Chemie, Werkstoffkunde und Molekularbiologie vereint forschen. Es ist bereits gelungen, Ringe aus einzelnen Atomen zu machen, mit deren Hilfe man Elektronen einfangen kann und Propeller aus Molekülen zu konstruieren, die sich drehen und somit andere Nanomaschinen antreiben können.

Die Nanotechnologie setzt sich aus den folgenden Bereichen zusammen:

1. Die ersten Schaltelemente, die Quanteneffekte ausnutzen, wurden von der Nanoelektronik entwickelt. Außerdem gehören Nanodrähte aus Kohlenstoff und molekulare Schalter ebenfalls zum Forschungsgebiet. Es wird auch die elektrische Leitfähigkeit von einzelnen Atomen und Molekülen getestet, dass man sie als Transistor, Diode und Verstärker einsetzen kann.

2. Die Nanomechanik beschäftigt sich mit Nanomotoren, winzigen Robotern und mit dem Zusammensetzen von Atomen zu sinnvollen Gebilden. Dadurch will man Materialien ohne Verunreinigungen und Gitterfehlern erzeugen.

3. Nanocomputer benötigen winzige Speicherzellen. Bis jetzt ist es noch nicht möglich solche herzustellen. Es gibt zwar Vorschläge, wie man Quantencomputer aus einzelnen Atomen oder Atomkernen entwickeln könnte, aber das liegt noch in weiter Ferne.

Herstellung von Miniaturstrukturen

Hierbei gibt es zwei Methoden.

1. Die sogenannte Top-Down Methode, die bekannte Verfahren, wie das Bohren mit superfeinen Bohrern oder das Fräsen mit Laser beinhaltet. Auf diese Art und Weise konnte man in der USA kostengünstige Chipstrukturen in der Größe von 0,08 µm (= 0,001mm) herstellen. Außerdem wurde so auch die kleinste Gitarre der Welt gebaut. Der Saitendurchmesser beträgt nur 50nm. Wenn die Saiten mit der Spitze eines Kraftmikroskops berührt werden, erzeugen sie sogar Schallwellen, deren Frequenz für uns aber nicht hörbar ist.

2. Die Bottom-Up Methode beschäftigt sich mit Dingen, die mit der ersten Art nicht zu machen sind, wie das Konstruieren von 3D-Nanorobotern. Derzeit werden die meisten Vorhaben noch mit dem Computer simuliert (Das Bauen von Zahnrädern, und einfachen Maschinen). Bis jetzt werden nur einfache Gebilde mit höchstens 50 Atomen gefertigt.

Rastertunnelmikroskop

Am Anfang der 80er Jahre erfanden Forscher vom IBM-Forschungszentrum das Rasertunnelmikroskop (RTM). Mit diesem Gerät kann man Atome und Moleküle ertasten. Das funktioniert so: Als erstes senkt sich die Spitze des RTM, die am besten nur aus einem Atom besteht, sehr nahe zur Oberfläche des zu untersuchenden Stoffes. Wegen der Spannung, die zwischen der Spitze und der Oberfläche herrscht, überbrücken Elektronen den geringen Abstand dazwischen. Normalerweise kann erst dann Strom fließen, wenn ein Kontakt geschlossen ist. Aber bei einem winzigen Abstand zwischen den Stoffen und einer gewissen Spannung, kann auch eine kleine Menge an Elektronen fließen. Grund dafür ist der sogenannte quantenmechanische Tunneleffekt. Und dadurch das dieser elektrische Strom in Abhängigkeit von der Position der Spitze über die Lücke fließt, ergibt das ein Relief, auf dem die Atome als Erhebungen erkennbar sind. Das RTM kann aber nur Strukturen von elektrischen Leitern ertasten, weil die Elektronen fließen können müssen. Allerdings hat man bis heute schon ein neues Gerät, das Rasterkraftmikroskop (RKM), entwickelt, das auch Isolatoren ertasten kann.

Verändern von Strukturen

1989 gelang es erstmals bei Temperaturen von ca. 0 K ( 0 Kelvin = -273Grad /absoluter Nullpunkt) Atome zu verschieben. Mittels eines RTM fertigten Forscher vom IBM-Forschungszentrum aus 35 Xenon-Atomen das IBM-Logo an. 1996 gelang es Mikroskope in Nanowerkzeuge umzuwandeln. Es war möglich das die Spitze des RTM einzelne Moleküle bei Raumtemperatur aufnahm u. woanders wieder ablegte. Dies funktionierte aber nur mit bestimmten Atomen. Auch heute hat man kein ideales Werkzeug, mit dem man ohne Probleme alle Arten von Atomen und Molekülen umordnen kann. Und das wird wohl auch noch längere Zeit dauern.

Fremdwörtererklärung

Molekularbiologie: Ein Teil der Biologie, der sich mit molekularen Vorgängen befasst.

Quantenmechanik: Ein Teil der Physik, der sich mit Atomen, Molekülen und Elementarteilchen auseinandersetzt.

Quanteneffekte: Sind physikalische Effekte bei Elementarteilchen.

Transistor: Halbleiterbauelement

Quantencomputer: Sind Computer die auf den Quanteneffekten beruhen.

Relief: Oberflächenform

Polymere: Kunststoffe

Ressourcen: Rohstoffquellen

Persönliche Meinung

Nanotechnologie ist noch ein sehr junges Forschungsgebiet. Man kennt sich noch nicht besonders gut damit aus und es wird sicher noch sehr lange dauern bis man Produkte fertiggestellt hat bzw. kaufen kann. Ich fände es großartig, wenn es möglich wäre nach belieben einzelne Atome anzuordnen. Man könnte dadurch winzige Geräte konstruieren, die man in den menschlichen Körper implantiert um Krankheiten zu bekämpfen (Insolinpumpe, usw.) Außerdem, wird man, wenn man sich gut mit der Nanotechnologie auskennt, wird man wahrscheinlich auch viele andere praktische Anwendungen entdecken.