{"id":812,"date":"2015-08-11T04:44:36","date_gmt":"2015-08-11T02:44:36","guid":{"rendered":"http:\/\/www.segunda-feira.de\/?page_id=812"},"modified":"2015-08-11T04:44:36","modified_gmt":"2015-08-11T02:44:36","slug":"nanotechnologie","status":"publish","type":"page","link":"http:\/\/www.segunda-feira.de\/?page_id=812","title":{"rendered":"Nanotechnologie"},"content":{"rendered":"

Die Nanotechnologie umfasst ein sehr gro\u00dfes Forschungsgebiet rund um die Konstruktion mit sehr kleinen Materialien und Maschinen. Der Begriff \u201eNano\u201c leitet sich ab von der Gr\u00f6\u00dfeneinheit Nanometer. Ein Nanometer entspricht 10-9<\/sup> Meter oder ein Milliardstel Meter. Zum Vergleich: Der Durchmesser von Atomen liegt zwischen 0,03 und 0,20 Nanometern.<\/p>\n

Mit der Erfindung des Rastertunnelmikroskops 1981 konnten nicht nur einzelne Atome sichtbar gemacht, sondern auch manipuliert werden. Auf molekularer Ebene k\u00f6nnen somit Strukturen geschaffen werden, die zu neuen Materialien oder zu winzig kleinen Maschinen zusammengesetzt werden. Diese neuen Materialien haben vollkommen neue Eigenschaften, die in der Natur nicht vorkommen. Oberfl\u00e4chen k\u00f6nnen glatter gestaltet werden, so dass kein Schmutz oder Wasser mehr darauf haften. Materialien k\u00f6nnen leichter und steifer gemacht werden. Textilien k\u00f6nnen wasserabweisende Oberfl\u00e4chen bekommen, Schusswesten k\u00f6nnen aus d\u00fcnnem Material gefertigt werden. Die Effizienz und die Eigenschaften von Bildschirmen k\u00f6nnen optimiert werden. Die n\u00e4chste Generation von Bildschirmen wird d\u00fcnn, transparent und biegsam bei einem geringen Energieverbrauch sein. Solarpanele werden billiger, biegsamer und effizienter werden. Geringe Energiemengen k\u00f6nnen mit Zinkoxidnanokristalle durch Druck und Vibration zum Beispiel in der Kleidung zur Versorgung von mobilen Ger\u00e4ten erzeugt werden.<\/p>\n

Das gr\u00f6\u00dfte Problem bei der Erzeugung von Nanomaterial ist, dass Atome sehr, sehr klein sind. Es dauert mit einem Rastertunnelmikroskop Ewigkeiten, bis ein Gebilde aus einzelnen Atomen in unserer makroskopischen Welt \u00fcberhaupt wahrnehmbar wird. Um gr\u00f6\u00dfere Strukturen aus Nanomaterial zu erschaffen, ist es daher notwendig, dass sie sich gewisserma\u00dfen in Selbstorganisation bilden. Ein Beispiel f\u00fcr spontane molekulare Selbstanordnung: http:\/\/www.nanospots.de\/spots\/tag\/spontane-molekulare-selbstorganisation\/<\/a><\/p>\n

Die Vorstellung, dass Nanoroboter<\/a> komplexe Strukturen auf Nanoebene erzeugen, ist derzeit noch hypothetisch. Zuerst m\u00fcssen wir in der Lage sein, Nanoroboter, die auch unter dem Namen Nanobots oder Naniten bekannt sind, zu erzeugen.<\/p>\n

Eine weitere Eigenschaft von Nanopartikeln ist die sehr viel gr\u00f6\u00dfere Oberfl\u00e4che im Vergleich zu festen, zusammengesetzten K\u00f6rpern aus demselben Material. Katalytische Effekte bei der Reinigung von Luft, Wasser und B\u00f6den k\u00f6nnen damit optimiert werden. Riesige Mengen von Verschmutzungen k\u00f6nnen mit relativ geringen Mengen von Nanopartikeln ges\u00e4ubert werden.<\/p>\n

Neben diesen Anwendungen wird Nanotechnologie die Architektur, die Informationstechnologie und die Medizin revolutionieren. Haupts\u00e4chlich ein Material erweist sich als besonders vielseitig: Kohlenstoffnanor\u00f6hren<\/a> oder, in ausgerollter Form, Graphen<\/a>.<\/p>\n

Kohlenstoffnanor\u00f6hren sind Fullerene<\/a>: dreidimensionale Kohlenstoffmolek\u00fcle mit ganz besonderen Materialeigenschaften. Im Verh\u00e4ltnis zu Stahl haben Kohlenstoffnanor\u00f6hren eine zehnfach h\u00f6here Zugfestigkeit bei nur einem Sechstel der Dichte, da sie nicht massiv aufgebaut sind, sondern eine zylindrische Form haben. Bereits heute findet man sie als beigemischter Verbundwerkstoff in vielen Produkten, bei denen Leichtigkeit und Festigkeit gefragt sind, z.B. in Badmintonschl\u00e4gern, Fahrr\u00e4dern, Rennwagen etc. Graphen besteht aus Kohlenstoffatomen, die in Honigwabenform angeordnet sind. Es sieht aus wie eine ausgerollte Kohlenstoffnanor\u00f6hre. Eine Lage Graphen ist so d\u00fcnn wie ein Atom. Kohlenstoffnanor\u00f6hren und Graphen k\u00f6nnen Strom 1000-mal besser leiten als Kupfer.<\/p>\n

Diese Materialeigenschaften machen Graphen und Kohlenstoffnanor\u00f6hren zu einem sehr interessanten Grundstoff f\u00fcr die Architektur und die Elektronikindustrie.<\/p>\n

Architektur<\/h1>\n

Kohlenstoffnanor\u00f6hren lassen sich mit verschiedenen Verfahren in gr\u00f6\u00dferen Mengen ein- und mehrwandig herstellen: mit einem Lichtbogen, mit Laser oder mit einem chemischen Verfahren (siehe https:\/\/www.fkf.mpg.de\/50876\/kk379.pdf<\/a>). Graphen kann mechanisch, chemisch und thermisch hergestellt werden. Bei beiden Werkstoffen sind derzeit jedoch die Kosten noch sehr hoch und die L\u00e4nge bzw. Gr\u00f6\u00dfe der einzelnen Segmente noch sehr klein, so dass sie nur in der Mischung mit anderen Stoffen eingesetzt werden. Sobald jedoch die Kosten gesenkt und die Gr\u00f6\u00dfe maximiert werden, k\u00f6nnen Kohlenstoffnanor\u00f6hren und Graphen als Baumaterial eingesetzt werden und aufgrund ihrer Festigkeit und ihres geringen Gewichtes v\u00f6llig neue Konstruktionen erm\u00f6glichen.<\/p>\n

Eine ganz besonders bemerkenswerte Konstruktion w\u00e4re ein Weltraumlift<\/a>. Erst mit den Nanowerkstoffen ist die Erstellung eines Seiles, das von der Erde bis in die geostation\u00e4re Umlaufbahn in 36.000 Kilometern H\u00f6he reicht, zumindest theoretisch m\u00f6glich. Ein daran befestigter Aufzug w\u00fcrde die Transportkosten in den Weltraum je Kilogramm von mehreren zehntausend auf 200 Euro reduzieren sowie das Risiko des Transports minimieren. Raumstationen auf dem Mond, Fl\u00fcge zum Mars oder die Errichtung von gro\u00dfen Weltraumstationen sind viel leichter und g\u00fcnstiger umzusetzen als mit Raketentechnologie. Ein Raumschiff, das aus dem Erdorbit zu einem Himmelsk\u00f6rper startet, kann viel gr\u00f6\u00dfer sein und braucht viel weniger Treibstoff, als wenn es von der Erde aufbricht (siehe http:\/\/www.sapereaudepls.de\/einzeldisziplinen\/technik\/weltraumlift\/<\/a>).<\/p>\n

Elektronikindustrie und Informationstechnik<\/h1>\n

Wegen der hohen Leitf\u00e4higkeit von Kohlenstoffnanor\u00f6hren und Graphen eignen sich diese Materialien f\u00fcr die zuk\u00fcnftige Erstellung von Mikro- bzw. Nanoelektronik. Erste Transistoren wurden bereits mit Graphen entwickelt und getestet (siehe https:\/\/de.wikipedia.org\/wiki\/Graphen#Grundlagenforschung_und_m.C3.B6gliche_Anwendung<\/a>). Damit sind Computerchips m\u00f6glich, die 1000-mal kleiner sind als es die theoretische Grenze der derzeitigen Technologie der Silizium-Halbleiter erlaubt. Kohlenstoffnanor\u00f6hren k\u00f6nnen als Nanodr\u00e4hte verwendet und Schalter aus Silber- und Platinatomen erzeugt werden. Damit ist die Speicherung von Information auf Atomebene m\u00f6glich.<\/p>\n

Neben der immensen Verkleinerung der Bauteile ist auch eine hohe Reduzierung des Energieverbrauchs m\u00f6glich. Der Nachbau des Gehirns (siehe Human Brain Project<\/a>) sowie echte k\u00fcnstliche Intelligenz inklusive eines Bewusstsein sind damit keine Science Fiction mehr. In Kombination mit den fast unvorstellbaren Rechenleistungen eines Quantencomputers h\u00e4tte man die F\u00e4higkeiten unsers Gehirns bei weitem \u00fcbertrumpft.<\/p>\n

Nanotechnologie in der Biomedizin (Nanomedizin)<\/h1>\n

Die gr\u00f6\u00dften Umw\u00e4lzungen durch Nanotechnologie werden wir kurz- und mittelfristig in der Medizin erfahren, und zwar hinsichtlich Diagnose, Behandlung, Regeneration von Gewebe, Organen, Knorpel und Knochen sowie der Steuerung von Prothesen.<\/p>\n

Diagnose<\/span><\/p>\n

Eine menschliche Zelle hat einen Durchmesser von 10.000 bis 20.000 Nanometer. Die Botenstoffe zwischen den Zellen, die Proteine, haben eine Gr\u00f6\u00dfe von wenigen Nanometern. Bei einer Sch\u00e4digung der Zelle teilen die Zellen dies anderen Zellen mit. Dieser Botenstoff wird Biomarker genannt. F\u00fcr jede Krankheit gibt es spezielle Biomarker.<\/p>\n

In der Molekulardiagnostik ist eine sehr fr\u00fchzeitige Diagnose m\u00f6glich, wenn Nanosensoren diese Botenstoffe interpretieren. Die Botenstoffe docken normalerweise an den Zielzellen \u00fcber Rezeptoren an (siehe Liganden<\/a>). Diese Rezeptoren werden auf den Nanosensoren durch Goldnanopartikel nachgeahmt. Mit einem Tropfen K\u00f6rperfl\u00fcssigkeit kann dann bereits eine vollst\u00e4ndige Analyse des Gesundheitszustandes durchgef\u00fchrt werden (siehe https:\/\/www.uni-mainz.de\/presse\/57174.php<\/a>).<\/p>\n

Der n\u00e4chste Schritt w\u00e4re die Unterbringung der Nanosensoren auf einem Chip, der im K\u00f6rper implementiert ist. Mit externen Ger\u00e4ten wie dem Smartphone k\u00f6nnte dann jederzeit der aktuelle Gesundheitszustand ausgelesen werden.<\/p>\n

Eine weitere Methode der Diagnostik ist der Einsatz von Nanosensoren aus Kohlenstoffnanor\u00f6hren bei der Analyse der Atemluft. Der Ausbruch einer Krankheit f\u00fchrt zur Ver\u00e4nderung im Stoffwechsel, was \u00fcber den Atem messbar ist. Wenn sich Molek\u00fcle mit einer Nanor\u00f6hre verbinden, wird deren elektrische Leitf\u00e4higkeit ver\u00e4ndert, was gemessen und interpretiert werden kann. Bei der Interpretation werden nicht einzelne Molek\u00fcle analysiert, sondern der Abdruck der Probe wird mit Referenzen abgeglichen. Die Fr\u00fcherkennung von Lungenkrebs und Bronchitis sind derzeit bereits mit dieser Technik realisiert.<\/p>\n

Die Nanosensoren bieten nat\u00fcrlich weitreichende Anwendungsm\u00f6glichkeiten. So k\u00f6nnen damit Verunreinigungen von Luft, Gasen und Fl\u00fcssigkeiten gemessen werden (siehe http:\/\/www.kooperation-international.de\/detail\/info\/wissenschaftler-entwickeln-einzigartigen-nanosensor.html<\/a>). Mit Nanosensoren k\u00f6nnen wir wie Hunde auf Molek\u00fclebene riechen und zum Beispiel Sprengstoffe aufsp\u00fcren.<\/p>\n

Behandlung<\/span><\/p>\n

Wirkstoffe, wie sie in der Chemotherapie verwendet werden, erreichen heute nur in 2 % der F\u00e4lle die Krebszelle. 98 % sch\u00e4digen gesundes Gewebe. Mit Nanokapseln k\u00f6nnen die Wirkstoffe gezielt zur Krebszelle gebracht werden. Die Nanokapsel ist so gro\u00df wie ein Virus. Damit sie nicht vom Immunsystem abgefangen wird, werden F\u00e4den auf der Oberfl\u00e4che der Kapsel angebracht, die Wassermolek\u00fcle anziehen. So getarnt k\u00f6nnen die Kapseln mehrere Stunden im K\u00f6rper zirkulieren, um ihr Ziel zu finden. Auf der Oberfl\u00e4che der Kapseln sind Molek\u00fcle angebracht, die an die Rezeptoren der Krebszelle andocken k\u00f6nnen. Einmal angedockt k\u00f6nnen die Wirkstoffe z.B. \u00fcber den besonderen pH-Wert der Krebszelle freigesetzt werden (siehe http:\/\/www.simplyscience.ch\/teens-liesnach-archiv\/articles\/medikamente-in-nanokapseln\/dossier\/26732\/item\/7.html<\/a>). Mit dieser Technik werden nicht nur die gesunden Zellen vor dem Wirkstoff gesch\u00fctzt, auch die Dosis kann 20-mal h\u00f6her verabreicht werden als in der klassischen Anwendung.<\/p>\n

Nat\u00fcrlich sind auch eine ganze Reihe andere Anwendungen mit dieser Methode denkbar. So gibt es bereits Nanokapseln, mit denen der Alkoholspiegel im K\u00f6rper innerhalb von Sekunden gesenkt werden kann (siehe http:\/\/www.forschung-und-wissen.de\/nachrichten\/medizin\/nanokapsel-macht-in-weniger-sekunden-nuechtern-13371837<\/a>).<\/p>\n

Eine weitere Behandlungsm\u00f6glichkeit mit Nanopartikeln ist die Verabreichung von synthetischen Nanoimpfstoffen, die das Immunsystem unterst\u00fctzen (siehe http:\/\/www.spektrum.de\/news\/nanoimpfstoff-foerdert-immunzellen-gegen-diabetes\/1028598<\/a>).<\/p>\n

Regeneration<\/span><\/p>\n

Normalerweise steuern Proteine das Wachstum von Zellen. Die Bionanotechnologie manipuliert den menschlichen K\u00f6rper auf Nanoebene und steuert k\u00fcnstlich Wachstums- und Regenerationsprozesse, um besch\u00e4digtes Gewebe zu ersetzen. Man kann k\u00fcnstliches Nanogewebe, das strukturell dem k\u00f6rpereigenen Kollagen<\/a> gleicht, mit zellwachstumsanregenden Proteinen umgeben. Das Gewebe wird dann in Form eines Gels in die K\u00f6perregion gespritzt, in der die Regeneration bewirkt werden soll.<\/p>\n

Mit dieser Methode lassen sich Haut, Knorpel, Knochen und sogar ganze Organe oder Neuronen und Synapsen regenerieren. Unheilbare Querschnittsl\u00e4hmung k\u00f6nnte schon bald der Vergangenheit angeh\u00f6ren.<\/p>\n

Steuerung von aktiven Prothesen<\/span><\/p>\n

Zu guter Letzt kann man mit der Nanotechnologie die Schnittstelle zwischen Menschen und Maschinen optimieren. Auf Nanoebene k\u00f6nnen Synapsen und Elektronik derart verbunden werden, dass Botschaften gesendet und empfangen werden k\u00f6nnen. Damit lassen sich Prothesen wie Roboterarme nicht nur genauer steuern. Auch Empfindungen k\u00f6nnen in der R\u00fcckrichtung an das Gehirn \u00fcbertragen werden.<\/p>\n

Bedenken<\/p>\n

Neue Technologien bergen immer auch Risiken und Gefahren. Nanopartikel gelangen nicht nur in die Lunge, sondern auch in den gesamten K\u00f6rper. Die Gesundheitsgef\u00e4hrdung von Ru\u00dfpartikeln ist bereits bekannt. Der Zusammenhang zwischen nanometergro\u00dfen Ru\u00dfpartikeln und Herzanf\u00e4llen wird derzeit erforscht. Hohe Dosen von Silbernanopartikel, die gerne wegen ihrer antibakteriellen Eigenschaften verwendet werden, oder Nanopartikeln aus Titanoxid, das in Sonnencreme enthalten sein kann, sind giftig. Kohlenstoffnanor\u00f6hren haben eine \u00e4hnliche Form und Gr\u00f6\u00dfe wie Asbestfasern. Asbest setzt sich in der Lunge fest und f\u00fchrt zu einem unheilbaren Lungenkrebs, der innerhalb eines Jahres t\u00f6dlich verl\u00e4uft.<\/p>\n

Doch auch ethische Fragen stellen sich. Nanosensoren werden sehr bald \u00fcberall im \u00f6ffentlichen Raum die Sicherheit \u00fcberwachen. Ein weiterer Schritt in Richtung Total\u00fcberwachung. Mit der Nanotechnologie lassen sich nicht nur Maschinen steuern, auch umgekehrt k\u00f6nnen Menschen gesteuert werden. Kein Mensch m\u00f6chte wie in der Fernsehserie Star Trek \u2013 Next Generation als ferngesteuerter Borg durch die Gegend laufen.<\/p>\n

Sehenswerte Dokumentationen zur Nanotechnologie:<\/p>\n