Nanotechnologie

Die Ausdrücke Nanowissenschaften und Nanotechnologien tauchten - erst zaghaft - vor zwei Jahrzehnten auf. Diese neuen Konzepte haben der revolutionären Erfindung des ersten Raster-Tunnelmikroskops (englisch: STM, Scanning Tunnel Microscope) viel zu verdanken. Sie war der allererste Schritt auf dem Weg zu Technologien, die im Nanomaßstab arbeiten - d. h. in der Größenordnung eines milliardstel Meters oder Nanometers oder einem Achtzigtausendstel der Dicke eines menschlichen Haares - und uns erlauben, Atome unmittelbar zu "manipulieren".
Dieses 1986 mit einem Nobelpreis ausgezeichnete Meisterwerk zweier Physiker, des Deutschen Gerd Binnig und des Schweizers Heinrich Rohrer, besiegelte eine erstaunliche Annäherung zwischen der Welt der Grundlagenforschung - an der äußersten Grenze der Erforschung der Materie - und der Möglichkeit, einen phänomenalen Anwendungsbereich zu entwickeln, dessen Größe sich immer weiter ausdehnt.

Der Schlüssel zu einer neuen Welt

Seither haben die Nanowissenschaften einen wachsenden Forschungsaufwand angestoßen. Sie stellen einen Ansatz dar, der die Art und Weise, in der die Wissenschaftler - Physiker, Chemiker oder Biologen - die Welt der Atome und Moleküle untersuchen, radikal verändert. Beim Top-down-Ansatz gingen diese bisher von der makroskopischen Wirklichkeit und Gesetzmäßigkeit aus, um auf immer kleinere Ebenen vorzudringen. Die Nanowissenschaften gehen umgekehrt von einem Bottom-up-Ansatz aus, bei dem, ausgehend von den Atomen, molekulare, mit spezifischen Eigenschaften versehene Nanosysteme "künstlich" aufgebaut werden. Dieser Ansatz birgt indessen eine grundlegend neue wissenschaftliche Herausforderung, da er die Beherrschung der Wechselwirkungen zwischen Atomen voraussetzt. Nun unterliegen diese Wechselwirkungen aber nicht den Prinzipien der klassischen Physik, sondern den komplexen Gesetzen der Quantenmechanik.
Sind wir zur Annahme dieser Herausforderung bereit, stellen uns die Nanowissenschaften einen radikalen Wandel der Art und Weise, in der unser gesamtes technologisches Umfeld gegenwärtig konzipiert und ausgearbeitet ist, in Aussicht.
Elektronik - Angesichts der Grenzen, an die die gegenwärtigen mikroelektronischen Verfahren bei der Miniaturisierung der Chips und der Erhöhung der Rechnerleistung stoßen - was das Ende des berühmten Mooreschen Gesetzes über das exponenzielle Wachstum der Leistung bedeuten würde -, stellen die Perspektiven der Nanoelektronik ein großartiges Sprungbrett für die Entwicklung des molekularen und Quanten-Rechners der Zukunft dar.
Lebewesen - Die Nanosynthese der grundlegenden molekularen Bausteine des Lebens (Proteine, Nukleinsäuren, Lipide usw.) eröffnet bisher unbekannte Perspektiven für die Biomedizin und die Biopharmazeutik sowie für den gesamten Zweig der Post-Genomforschung.
Werkstoffe - Innovationen jeglicher Art zeichnen sich auf industrieller Ebene ab: Ein Beispiel dafür ist der strukturelle Aufbau von Kohlenstoffatomen, so genannter Fullerene, die zum Teil Fußbällen ähneln; sie könnten Wasserstoff enthalten und als Nano-Batterien mit Kraftstoff oder auch als Nano-Röhren mit einzigartigen Festigkeitseigenschaften eingesetzt werden. Aus Nano-Partikeln zusammengesetzte verstärkte Polymere können auch Komponenten bilden, die das Gewicht von Fahrzeugen (und folglich den Energieverbrauch) senken und gleichzeitig maximale Sicherheit gewährleisten. Anwendungen im Bereich der Oberflächenbehandlung erlauben es, spezifische physikalische (Schmierung, Härte) oder chemische (Reaktionsvermögen, katalytische Wirkung) Effekte zu erzielen.
Maschinen - Die dynamischen Eigenschaften bestimmter Atomanordnungen öffnen den Weg für die Entwicklung von Nano-Motoren, Nano-Pumpen und Nano-Triebwerken mit bemerkenswerten Vorteilen in den Bereichen nachhaltige Entwicklung und Energieeinsparung.
Umwelt - Forschungen befassen sich heute mit Nano-Reinigungsanlagen und Nano-Sensoren, wobei diese Erfassungsfunktion im Übrigen auf alle Bereiche der Messkunde anwendbar ist