Nanotechnologie / Nano-Elektronik
Die Nanotechnologie wird als Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts bezeichnet. Der Name kommt vom griechischen Wort für "Zwerg" - nanos. Ein Nanometer ist der millionste Teil eines Millimeters. Um ein Haar auf die Größe eines Nanometers zu teilen, müsste man es fünfzigtausend Mal spalten.
1959 erwähnte der Physiker und Nobelpreisträger Richard Feynman in einem Vortrag diese Technologie. Den Begriff "Nanotechnologie" prägte der Japaner Norio Taniguchi im Jahr 1974. Er bezeichnete damit eine Produktionstechnik, die mit sehr kleinen Einheiten arbeitet. Doch erst im Jahr 1981 gelang es dem Unternehmen IBM in der Schweiz ein Rastertunnelmikroskop zu bauen, mit dem man Atome sichtbar machen und sie sogar mit einer feinen Spitze bewegen konnte. In Forschung und Entwicklung war das der Durchbruch für die Nanotechnologie.
Die Nanotechnologie gilt ein Eintrittstechnologie von der Präzisionsmechanik bis hin zur Medizin- und Biotechnik. Und auch in der Nano-Elektronik ergeben sich vielfältige Anwendungsmöglichkeiten. Die weiter fortschreitende Miniaturisierung wird in Zukunft durch die Nanotechnologie möglich.
Nano-Elektronik
Die Herstellung und Nutzung üblicher Halbleiter aus Silizium-Atomen bereiten zunehmend Probleme. Bei der Herstellung werden Halbleiterstrukturen mit Lithografie auf die Wafer übertragen. Um kleinere Schaltkreise herzustellen wird mit immer kürzeren und schwerer beherrschbaren Wellenlängen gearbeitet. Damit steigt mit jeder neuen Halbleiter-Generation der Investitionsaufwand. Außerdem stellt die Wärmeentwicklung der immer dichter gepackten Schaltkreise ein weiteres zentrales Problem dar.
Kohlenstoff-Nanoröhrchen oder auch Carbon Nanotubes (CNT) eignen sich, um Silizium in Halbleiterbauelementen zu ersetzen. Das ist spätestens dann der Fall, wenn die Halbleiterstrukturen nicht weiter verkleinert werden können.
Die Kohlenstoff-Nadeln sind ein Material mit vielseitigen Eigenschaften. Legt man ein elektrisches Feld an zwei benachbarte Nanotubes, verbiegen sie sich und kleben aneinander, bis ein Spannungsimpuls sie wieder trennt. Diese Eigenschaft entspricht einem elektromagnetischen Schalter, der vielleicht als nichtflüchtige Speicherzelle verwendbar ist.
Nanotubes können p- und n-dotiert sein. Auf diese Weise lassen sich pn-Übergänge herstellen.
In Zukunft werden Drähte und Röhren aus Nanostrukturen zur Stromleitung und zur Datenspeicherung genutzt. Nanotubes ermöglichen eine um bis zu drei Größenordnungen größere Stromdichte als vergleichbar kleinere Kupferdrähte.
Bauelemente der Nano-Elektronik
- Einzelelektronen-Transistoren
- Quantenpunkt-Bauelemente
- photonische Schaltungen
- molekular-elektronische Speicher
- nanoelektromechanische Systeme (NEMS)
- Spintronik
Anwendungen
Die Nanotechnologie gilt als Querschnittstechnologie. Damit ist gemeint, dass sie in verschiedenen Bereichen zum Einsatz kommt. Die folgende Liste stammt vom Fraunhofer ISC aus Würzburg.
- Medizin/Gesundheit
- Diagnostik
- Therapie
- Wirkstoff-Freisetzung
- Verbraucher-Produkte
- Kosmetik
- Sonnenschutz
- Bakterizide Textilien
- Verpackungen
- Umwelt
- Abwasserreinigung
- Photokatalyse
- Umweltüberwachung
- Energie
- Batterien
- Superkondensatoren
- Brennstoff- und Solarzellen
- Thermische Kraftwerke
- IR-Reflexion
- Automobil
- Kratzfeste Decklacke
- Leichtbau (Schäume, Polymere)
- Korrosionsschutz
- Sensoren
- Katalyse (Verbrennung, Abgas)
- Bauindustrie
- Baustoff-Verbesserung (mechanische Eigenschaften)
- saubere Oberflächen
- Wärmedämmung
- Korrosionsschutz
- Optik
- Entspiegelung
- Photonik
- Wellenleiter
- optische Speicher
- Lichttechnik
- Elektronik
- Elektronisches Papier
- Displays
- Polymerelektronik
- Speicher (GMR)
- Sensoren
- Biochips
- Chemie
- Wirkstoffsuche
- Synthese/Katalyse
- Sensoren
- Prozessüberwachung
Nanoprodukte gibt es bereits einige auf dem Markt. Sie greift bereits in vielen Bereichen unseres Lebens ein. In der Medizin für langzeitdosierbare Wirkstoffdepots, in der Umwelt- und Energietechnik für den Ersatz toxischer Substanzen durch Nanomaterialien und Thermoelektrika zu Energierückgewinnung. In Verbraucherprodukten, zum Beispiel hochwirksame Sonnenschutzmittel, kratzfeste Brillengläser, schmutzabweisende Textilien, unempfindliche Autolacke und selbstreinigende Fenster. In der Informationstechnik für hochminiaturisierte Datenspeicher.
Nanoröhrchen
Die zentrale Erfindung der Nanotechnologie sind die Nanoröhrchen, den so genannten Nano Tubes. Diese Nanoröhrchen wurden 1991 vom Japaner Sumio Iijima konstruiert. Er entdeckte die vielfältigen mechanischen Eigenschaften der Röhrchen:
- Eigenschaften eines Metalls oder Halbleiters
- fünfzig bis hundert Mal härter als Stahl
- bedeutend leichter als Stahl
- leiten Strom besser als Kupfer
- leiten Wärme schneller als Diamanten
Durch diese verschiedenen Eigenschaften lassen sich die Nanoröhrchen vielseitig einsetzen.
Nachteile der Nanotechnologie
Nanoteilchen haben die Fähigkeit in Zellen einzudringen, ohne dass das Immunsystem sie daran hindern kann. Der Vorteil, über Nanoteilchen Medikamente im Körper zu verteilen, steht der Nachteil gegenüber auf die gleiche Weise Schaden anzurichten, wenn schädliche Substanzen an Nanoteilchen kleben.
Untersuchungen an Ratten und Mäusen haben gezeigt, dass sich nach Einführung von Nanoröhrchen in die Lungen der Tiere knötchenartige Veränderungen und Entzündungen gebildet haben.
Es gibt kaum Erkenntnisse darüber, welche Auswirkungen synthetische Nanoteilchen auf Mensch und Umwelt haben können. Versicherungsunternehmen äußern sich kritisch gegenüber den Risiken der Nanotechnologie.
Soviel Vorteile und Nutzen die Nanotechnolgie zu bieten hat, die Folgen dieser Technik auf Mensch und Umwelt ist bislang noch nicht abzusehen.
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