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Gastkommentar |
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Nanotechnologie ist keine gänzlich neue F&E-Richtung - sie beschreibt eher eine Herangehensweise zur gezielten Konstruktion neuer Funktionalitäten. Entlang einer charakteristischen Längenskala im atomaren und molekularen Bereich bietet sie die Chance, intelligente Systeme zu generieren, deren neue makroskopische Eigenschaften auf nanoskopischen Effekten der individuellen Systembausteine beruhen. Erkenntnisse aus der Nanotechnologie werden eine vielfältige Produktpalette in etablierten Anwendungsfeldern hervorbringen und auch für heute noch nicht berücksichtigte technologische Überraschungen gut sein. Solche Produkte der Zukunft können beispielsweise sein: tragbare elektronische Assistenten mit der Leistungsfähigkeit eines heutigen Rechenzentrums, Minidatenspeicher mit der Kapazität nationaler Bibliotheken oder effiziente preiswerte Solarzellen. Im Laufe der letzten Dekade wurde durch ein zunehmendes Verständnis von Quanteneffekten, Grenz- und Oberflächeneigenschaften, oder Selbstorganisationsprinzipien die Grundlage für neue Analyse- und Herstelltechniken gelegt, welche einen regelrechten Interessensboom in der Nanotechnologie und weltweit Netzwerkaktivitäten entlang der Wertschöpfungskette ausgelöst haben.  Quelle: Dr. Gerd Bachmann, Zukünftige Technologien Consulting VDI-TZ. Bedeutung für Forschung und Innovation Das umfassende Verständnis nanoskaliger Systeme befriedigt nicht nur unseren Wissensdurst, sondern es erlaubt uns auch, die Natur nach unseren Vorstellungen zu verändern und zur Grundlage neuer Technologien zu machen. Dabei ist der Mensch nicht darauf beschränkt, die Prozesse, wie sie in der Natur aufgrund der thermodynamischen bzw. evolutionären Kräfte seit Millionen von Jahren ablaufen, nachzuahmen, sondern er kann innerhalb der Grenzen der Physik auch solche Strukturen erzeugen, die ohne einen menschlichen Verstand in der freien Natur niemals entstanden wären. Gerade in dieser Möglichkeit, verbirgt sich ein Potential für völlig neuartige technologische Anwendungen, für die es in unserer heutigen Technik keine Analoga gibt. Extreme Einsparungen Die Randbedingungen einer erfolgreiche Produktentwicklung sind in vielen Fällen durch die Nachfrage nach extremen Einsparungen bei Gewicht, Volumen, Rohstoff- und Energieverbrauch und nach Schnelligkeit sowohl bei der Produktherstellung als auch bei der Prozeßdurchführung bestimmt. Das Besondere an der Nanotechnologie ist, daß sie im Gegensatz zu anderen Hochtechnologien häufig viele Kriterien gleichzeitig erfüllt. Die Bedeutung der Nanotechnologie liegt jedoch derzeit weniger in der Herstellung reiner "Nano-Produkte" sondern vielmehr in der Verbesserung etablierter Anwendungen. So etwa in der Elektronik und Optoelektronik, in denen Nanostrukturen oftmals Schlüsselfunktionen zukommen, wie beispielsweise bei Sensoren für Festplattenleseköpfen oder bei Diodenlasern, die in der optischen Datenübertragung und in CD-/DVD-Geräten Verwendung finden. Der eigentliche Innovationsschub aus dem Nanokosmos wird erst in einigen Jahren, teilweise sogar Jahrzehnten erwartet. Die zeitliche Einordnung bis zur Marktreife stellt hierbei z. T. nur eine grobe Abschätzung dar. Insbesondere bei Anwendungen, die sich momentan noch im Stadium der Grundlagenforschung befinden sind Prognosen bezüglich der Marktreife mit hoher Unsicherheit behaftet. Wie zu erkennen ist, fließen nanotechnologische Erkenntnisse in viele Anwendungssegmente ein. Aus heutiger Sicht zeichnen sich dabei auch klare Schwerpunkte der Nanotechnologie ab. Im Folgenden werden Entwicklungsstand und Anwendungsfelder der Nanotechnologie anhand einiger Beispiele aufgezeigt.  Quelle: Dr. Gerd Bachmann, Zukünftige Technologien Consulting VDI-TZ. Nanoelektronik Die Nanoelektronik untersucht verschiedene Konzepte für die Nutzung elektronischer Eigenschaften von Nanostrukturen für vielfältige Anwendungen einer zukünftigen Informationstechnologie. Derzeit befindet sich die Forschungsarbeit in der Mikroelektronik an der Schwelle zur Nanoelektronik. Quantisierungs-Effekte gewinnen mit zunehmender Kompaktierung bei der Miniaturisierung von Transistoren und Drähten immer stärker an Bedeutung. Die herkömmliche Transistortechnologie stößt spätestens bei Strukturbreiten um 20 nm auf physikalische Grenzen aufgrund der Wellennatur der Elektronen. Abhilfe bieten Logikbausteine einer digitalen Elektronik, welche mit kleinsten Partikeln oder auch Molekülen aufgebaut werden könnten (Molekularelektronik). Der zur Zeit noch in der Grundlagenforschung befindliche ultimative Ansatz besteht gar in der Nutzung quantenmechanischer Kopplungsphänomene kleinster Logikelemente. Eine Möglichkeit zur Herstellung von solchen Quantencomputern nutzt zusätzlich zur Ladung eines Elektrons auch dessen magnetisches Moment aus (Spintronik, MRAM). Parallelrechner mit heute fast unvorstellbarer Rechenleistung können daraus erwachsen. Auch die Sensorik, Datenspeicherung und Displayherstellung wird von zukünftigen Erkenntnissen profitieren. Nanooptik Die Nanooptik schafft die Voraussetzungen für die optische Hochgeschwindigkeits-Kommunikationstechnik, neuartige Laserlichtquellen und optische Systeme für vielfältige Anwendungen. Moderne Halbleiterlaser basieren heute ebenfalls auf nanotechnologischen Erkenntnissen. Durch Strukturen mit reduzierter Dimension wie Quantenfilme, Quantendrähte und den daraus resultierenden Quantisierungsphänomenen lassen sich extrem hochwirksame und temperaturstabile optoelektronische Bauelemente wie beispielsweise Dioden-, Quantenpunkt- und Quantenmuldenlaser mit weitreichenden Anwendungsmöglichkeiten in der Informationsspeicherung, Bilderzeugung, Materialbearbeitung, etc. herstellen. Nanofabrikation Die Nanofabrikation erforscht und entwickelt Methoden zur Herstellung von Strukturen, Schichten, Oberflächen auf der Nanoskala, da entsprechende Verfahren für die Herstellung zukünftiger nanobasierter Produkte eine zwingende Voraussetzung sind. Alle gegenwärtigen und zukünftigen nanotechnologischen Erzeugnisse müssen mit vertretbarem Aufwand produziert werden können, um ihren Weg in die Anwendung zu finden. Die überzeugendste Demonstration einer raffinierten Funktion eines nanotechnologischen Erzeugnisses erweist sich jedoch als letztlich nutzlos, wenn seine Herstellung nur durch das schrittweise Aneinanderfügen individueller Atome möglich ist. Daher befaßt sich ein großer Bereich der Forschung mit schnellen und gleichzeitig rentablen ultrapräzisen Herstellungs- und Bearbeitungsmethoden auf der Nanoskala. Hierzu tragen auch Röntgenoptiken und Nano-Elektromechanische-Systeme als Systembausteine bei. Nanomaterialien Das Gebiet der Nanomaterialien befaßt sich mit der Erforschung und Entwicklung neuartiger nanoskalig funktionalisierter Materialsysteme. Verbesserte Werkstoffe, neue Materialien und zusammengesetzte Stoffsysteme waren in der Vergangenheit für unsere Gesellschaft von hoher Bedeutung und werden auch morgen unser Leben mitbestimmen. Nanomaterialien werden dabei eine wichtige Position einnehmen. Werden Materieteilchen immer kleiner, so nimmt der Anteil von Oberflächenatomen stetig zu. Beim Aufbau makroskopischer Körper aus immer kleiner werdenden Bausteinen ändern sich daher deren optische, elektronische, magnetische, katalytische oder mechanische Eigenschaften in Abhängigkeit der Partikelgröße extrem. Beispielsweise ist es möglich Oberflächen eine unterschiedliche Farbe, Benetzungsfähigkeit, Wärmereflektivität, Härte, oder Reibeigenschaft zu verleihen. Anwendungen wurden beispielsweise gezeigt bei kratzfesten optischen Beschichtungen für Autoscheiben und Brillengläser, als elektrochrome Dünnschichtsysteme für Spiegeloberflächen und Architekturglas, bei Datenspeicherschichten oder bei Magnetofluiden. Spezielle Materialien, wie z.B. Silikate, eignen sich besonders für Katalysatoroberflächen, neuartige umweltverträgliche Kleber, Molekularsiebe, oder als Brandschutzmaterial. Nanochemie Die Nanochemie befaßt sich mit der Erzeugung und Veränderung von chemischen Systemen, die ihre Funktionalität aus der Nanoskaligkeit beziehen. Supramolekulare funktionale Systeme bilden die stoffliche Grundlage für neue Materialien. Nanochemie - international nicht immer einheitlich definiert - meint chemische Veränderungen der Systeme, die auf der Nanoskala ablaufen und ihre Funktionalität aus dieser Dimension beziehen. Nanochemie umfaßt insbesondere funktionale supramolekulare Systeme, z.B. zum gezielten Wirkstofftransport, schalt- bzw. steuerbare Systeme und Systeme mit einstellbaren Eigenschaften, funktionellen Schichten, sowie Bildungsprozesse von Nanopartikeln (Partikel, Kolloide, Fluide, Nanoröhren). Nanobiotechnologie Die Nanobiotechnologie verfolgt einerseits die Nutzung biologischer Nano-Objekte in technischen Systemen, von der Datenspeicherung bis zur Photovoltaik. Sie wendet andererseits nanotechnologische Verfahren zur Untersuchung und Beeinflussung biologischer Systeme an. Hiervon werden insbesondere die Bildgebung, die Medizintechnik (z.B. Krebsbekämpfung) und die molekulare Diagnostik maßgeblich profitieren. Im Bereich der Lebenswissenschaften ist zur Zeit der Einfluß nanotechnologischer Erkenntnisse in den Bereichen Sensorik, biokompatible Oberflächen, Wirkstoffträgersysteme, Hautersatzmaterialien, biologische Membranen für die Nanofiltration, sowie DNA- und Protein-Strukturbestimmung festzustellen. Speziell den DNA-, Protein- und Lab-on-a-chip-Systemen wird für die Zukunft ein Multimilliardenmarkt zugesprochen. Für derzeit am Markt befindliche Analysesysteme spielen Nanotechniken noch keine tragende Rolle. Sie können jedoch durch neue Nachweisverfahren, welche selektiver, empfindlicher und vielleicht auch preiswerter sind, an Marktbedeutung gewinnen. Lassen sich solche Systeme auch präventivmedizinisch sinnvoll zur Krankheitsfrüherkennung einsetzen, so existiert zum hohen Marktpotential auch ein immenses Einsparpotential durch Vermeidung kostenträchtiger Eingriffe. Nanoanalytik Die Nanoanalytik schließlich liefert als Querschnittswissenschaft die analytischen Methoden und Werkzeuge zur Erfassung der Basisphänomene und zur Produktcharakterisierung und sorgt für eine analytische Qualitätssicherung durch Beiträge zu nationalen und internationalen Normungen. Nanoanalysetechniken bieten viele Möglichkeiten auf der Nanometerskala wissenschaftliche Informationen im Bereich der Physik, Chemie, Biologie, der Materialforschung und in den Ingenieurwissenschaften zugänglich zu machen. Die stete Miniaturisierung setzt das Verständnis und die Beherrschung der Vorgänge auf der Nanometerskala unbedingt voraus. Der Nanometer wird für Genauigkeitsangaben zukünftig die Bedeutung erlangen, wie sie der Mikrometer derzeit innehat. Er wird in absehbarer Zeit der Präzisionsstandard für die Materialanalyse und -prüfung werden und darauf aufbauend dann auch für die Materialbearbeitung. Visionen Darüber hinaus gibt es auch Anwendungsfelder, welche bereits weit in die Zukunft reichen und z. T. noch visionären Charakter besitzen Die Vorstellungen reichen hier von autonomen Nano-U-Booten, die im menschlichen Blutkreislauf patrouillieren und Medikamente gezielt in erkranktes Gewebe befördern, bis zur Urbarmachung von Planeten durch nanotechnologische Verfahren ("Terraforming"). Obwohl diesen Visionen z. T. erhebliche technologische und naturwissenschaftliche Widersprüche entgegenstehen, finden sie des öfteren ein erhebliches Echo in den Medien. Auch in Deutschland hatten die teilweise noch im Bereich des Visionären liegenden Erwartungen an die Nanotechnologie bereits früh ein deutliches Interesse an der Fragestellung geweckt, welche Wirkungen diese Technologie auf Wirtschaft und Gesellschaft haben können. Kompetenznetzwerke Um die wissenschaftlichen Bestrebungen zu fördern, die staatlichen Rahmenbedingungen für konkurrenzfähige Innovationen günstig vorzubereiten und auch gesellschaftsrelevante Fragestellungen mit allen Beteiligten frühzeitig zu diskutieren, unterstützt das BMBF seit Oktober 1998 themenspezifische Kompetenznetzwerke zu Teilthemen der Nanotechnologie. Eingebunden in diese F&E-Aufgaben sind ca. 450 Mitglieder aus Forschungseinrichtungen und Industrieunternehmen, zusätzlich unterstützt von Landesministerien, Finanzgebern und regionalen Wirtschaftsförderern Fazit Die Nanotechnik steht noch am Anfang ihrer Geschichte. Trotzdem ist schon heute für einige ihrer Errungenschaften eine große wirtschaftliche Bedeutung zu erkennen. Das Vordringen in die Welt der Atome wird mit Sicherheit noch ungeahnte Möglichkeiten offenbaren und auch neue Standards setzen. Eine interessante Herausforderung ist sicherlich die Herstellung relevanter Produkte aus dem bereits erarbeiteten, aber in der Hauptsache noch zu entdeckenden Wissen. |
