~ 1 ~ Nanotechnologie und ihre Zukunftsaussichten

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1 ~ 1 ~ Nanotechnologie und ihre Zukunftsaussichten Eine Arbeit von Nicolas Corpancho Villasana Proseminar History of Computational Science, Vision, and Medical Science Chair for Computer Aided Medical Procedures & Augmented Reality, Department of Informatics, TU München Advisor: Alexandru Duliu

2 ~ 2 ~ Gliederung 1.Einleitung Was ist Nanotechnologie Bottom-Up und Top-Down Strategien Geschichte der Nanotechnologie Richard Feynman Dr. Kim Eric Drexler Norio Taniguchi Anwendungsgebiete Nanotechnologie in der Medizin Die Nanomaterialien als Transportsysteme Verfahren Risiken und Chancen Nanotechnologie in Lebensmitteln Heutige Nanotechnologische Produkte Aktuelle Forschungsstände Schluss Anhang... 11

3 ~ 3 ~ 1.Einleitung Die ersten PCs belegten ganze Räume und hatten eine gerade zu lächerliche Leistung im vergleich zu einem heutigen Smartphone, die nur einen Bruchteil des Platzes benötigen. Dazu kam es auf Grund von verschiedenen Einflussfaktoren, jedoch nicht zuletzt auf Grund von Nanotechnologie. Die Rolle der Nanotechnologie wird von Tag zu Tag größer, wodurch eine nähere Betrachtung des Begriffs gerechtfertigt wird. Deswegen möchte ich anschließend die Geschichte der Nanotechnologie kurz darstellen. Daraufhin werden die Anwedungsbereiche nähere beschrieben, wie zum Beispiel die Rolle der Nanotechnologie in der Medizin und Lebensmitteln. Anschließend wird ein kurzer Überblick über heutige Produkte und aktuelle Forschungsstände verschafft. 2.Was ist Nanotechnologie Unter Nanotechnologie versteht man die Forschung in Teilgebieten der Physik, der Chemie, der Biologie aber auch in Teilgebieten des Maschinenbaus. Die Nanotechnologie befasst sich also mit allen Teilchen, die kleiner als 100nm sind, die also kleiner als ein Milliardstel eines Meters sind (10-9 m). Die Nanotechnologie befasst sich natürlich auch mit der Entstehung und Manipulation solcher winzigen Strukturen. Man könnte die Nanotechnologie als eine Fortsetzung oder Erweiterung der Mikrotechnologie bezeichnen, welche man erreicht, indem man die zwei grundlegenden Strategien zum Strukturauf- bzw. abbau erweitert. Diese Strategien werden die Bottom-Up und Top- Down Strategien genannt Bottom-Up und Top-Down Strategien Die Bottom-Up Strategie versucht komplexe Strukturen aus molekularen oder atomaren Bausteinen aufzubauen. Top-Down versucht Strukturen immer weiter zu verkleinern. 2 3.Geschichte der Nanotechnologie Auf dem Begriff Nanotechnologie sind drei Wissenschaftler unabhängig voneinander gestoßen. Richard Feynmann, ein amerikanischer Physiker und Nobelpreisträger, der

4 ~ 4 ~ sich mit der Quantenphysik beschäftigt hat, hielt 1959 seine berühmte Rede There s Plenty of Room at the Bottom, die als Gründungsschrift der Nanotechnologie gesehen wird, doch den Begriff Nanotechnologie bis dahin nicht benutzt hat. 3 Er beschrieb die Visionen auf atomarer Ebene Materie zu manipulieren. 4 Diese Rede regte die Fantasien von Wissenschaftlern an in dem unerforschten Bereich zu arbeiten. Der erste, der den Begriff benutzte, war der Japaner Norio Taniguchi. Er formulierte 1974 den Satz: Nano-technology mainly consists of the processing of separation, consolidation, and deformation of materials by one atom or one molecule. Er wollte damit die Herstellungsmethoden mit einer über den Mikrometerbereich hinausgehenden Präzision beschreiben wurde das Rastertunnelmikroskop von Gerd Binnig, Calvin Quate und Christopher Gerber entwickelt, das fähig war Atome sichtbar zu machen und sie gezielt zu positionieren, das aber auch die Oberfläche eines Stoffes verändern kann. Dieses Verfahren wird auch Rastersondenverfahren genannt. 6 Unabhängig davon gab Eric Drexler 1986 den Begriff bekannt. Er schrieb ein Buch Engines of Creation 7, welches viele Wissenschaftler inspiriert hat, Nanotechnologie zu studieren. Doch die Definition Drexlers war genauer, er definierte die Nanotechnologie als die Konstruktion von komplexen Maschinen und Materialien aus Atomen. Doch seine Bücher Engines of Creation und Unbounding the Future lösten einen Wirbel in der Wissenschaft aus. Er sprach von Nanofabriken und Nanomaschinen, die sich nach einem Bauplan selbst vervielfältigen und sich wieder zusammen setzen. Diese Visionen sorgen bis heute noch für Kritiken und vielfältige Meinungen. Ende der neunziger Jahre hat es Don Eigler geschafft, das Wort IBM mit Xenon Atomen auf eine Oberfläche zu schreiben. Das war auch inspirierend für Wissenschaftler im Bereich der Nanotechnologie Richard Feynman Richard Phillips Feynman wurde am 11.Mai 1918 in New York geboren und starb Er studierte Physik an der MIT und besuchte dann die Princeton University. Er war ein amerikanischer Physiker, der im Bereich der Quantenphysik tätig war bekam er den Nobelpreis für seine Arbeit zur Quantenelektrodynamik verliehen. Er erfand eine Darstellung der elementaren Wechselwirkungen, der nach ihm benannt wurde: das sogenannte Feynman-Diagramm. Er wird als der Vater der Nanotechnologie mit seiner berühmte Rede Theres Plenty of Room at the Bottom gesehen. 9 Er zweifelte viele Theorien an, da er der Meinung war, dass wenn man etwas nicht in Frage stellt nicht daraus lernen kann. Zitat: Wir müssen unbedingt Raum für Zweifel

5 ~ 5 ~ lassen, sonst gibt es keinen Fortschritt, kein Dazulernen. Man kann nichts Neues herausfinden, wenn man nicht vorher eine Frage stellt. Und um zu fragen, bedarf es des Zweifelns. 3.2 Dr. Kim Eric Drexler Dr. Kim Eric Drexler wurde am 25. April 1955 in Alameda in Kalifornien geboren. Er ist sowohl Forscher als auch Autor. Er promovierte am Massachusetts Institute of Technology mit einem Entwurf des Nanosystems. Als Chief Technical Advisor schuf er ein Unternehmen für eine Open-Source-Design-Software für strukturelle DNA Nanotechnologien. Er will aktuelle Forschungsziele effizienter ausrichten und neue Technologien für die Zukunft entwickeln. Momentan arbeitet er zusammen mit dem World Wildlife Fund an Lösungen, die auf Nanotechnologien basieren, für globale Probleme wie Energie und Klima. Seine Arbeit konzentriert sich vor allem auf fortschrittliche Nanotechnologien. Vor allem bekannt ist er für die Popularisierung der potenziellen molekularen Nanotechnologie (MNT) aus den 1970er und 1980er Jahre. Seine Doktorarbeit wurde überarbeitet und in dem Buch: Molekular Machinery Manufacturing and Computation (eine quantitative, Physik-basierte Analyse) veröffentlicht. Er schuf außerdem die Grundlage für das Werk Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology und schrieb Unbounding the Future. Heute lebt er mit seiner Frau Rosa Wang in Los Altos in Kalifornien Norio Taniguchi Norio Taniguchi wurde am 27. Mai 1912 geboren und starb am 15.November Er war Professor der Tokyo University of Science und war der erste der den Begriff Nanotechnologie 1974 benutzte. 11 Er wurde durch sein Satz "Nano-technology' mainly consists of the processing of separation, consolidation, and deformation of materials by one atom or one molecule." 12 berühmt. Doch später stellte sich heraus, dass die Definition nicht ganz genau richtig war und wurde von Eric Drexler strenger definiert

6 ~ 6 ~ 4. Anwendungsgebiete 4.1 Nanotechnologie in der Medizin Immer mehr wird in die Nanotechnologie investiert. USA, Deutschland, aber auch die EU investieren jährlich Millionen, um diese Technologie weiter zu erforschen. Laut der Bundesministerin für Bildung und Forschung, Dr. Annette Schavan, ist Nanotechnologie die Eintrittskarte in die Zukunft Die Nanomaterialien als Transportsysteme Nanomaterialien umschließen beispielsweise einen einzunehmenden medizinischen Wirkstoff und bilden eine Schutzhülle. Diese Schutzhülle ermöglicht es, den Wirkstoff durch Barrieren, wie die Magen-Darm-Wand oder Zellwände, zu durchdringen, damit der Körper den Wirkstoff besser verarbeiten und aufnehmen kann. Dieser Transport der Wirkstoffe wird Drug Delivery genannt. Die Nanomaterialien schützen nicht nur die Wirkstoffe sondern können sie auch über einen längeren Zeitraum gleichmäßig im Körper verteilen und Wirkstoffe, die sonst leicht vom Körper zersetzt würden, gezielt an einer Stelle freisetzen. Woran Forscher derzeit arbeiten, ist der sogenannte Target Delivery. Diese Art des Transports ermöglicht die Nanopartikel ihre Ziele zu erkennen, damit der Wirkstoff nicht in andere Körperregionen gelangt. Dieser Transport würde zum Beispiel bei einem Tumor in der Leber verwendet werden. Somit würde der Wirkstoff nur in die Leberregion gelangen, um den Tumor zu schwächen oder zu zerstören, und der Wirkstoff würde andere Regionen des Körpers nicht mit dem Wirkstoff belasten. 14 Diese Art des Transports ist für Krankheitsbekämpfungen sehr geeignet, da sie stark Nebenwirkungen reduziert, weil die Wirkstoffe gezielt eingesetzt werden könnten Verfahren Dieses Verfahren wird oft gegen Krebserkrankungen und Tumorbekämpfung verwendet. Der Prozess basiert auf Erwärmung des Gewebes. Dies geschieht dadurch, dass die Nanopartikel eine gewisse Stelle im Körper erhitzen und das Gewebe dann seine normale Aktivität verändert. Hitze ist schädlich für unser Gewebe, doch Tumorgewebe reagiert empfindlicher gegenüber Hitze als normale Gewebepartikel, woraus folgt, dass wenn man gezielt Hitze auf ein Gewebe einsetzt, Tumore zwar geschädigt werden, jedoch das normale Gewebe die Hitze trotzdem aushält. 13 Vgl. Antje Grobe, Nanomedizin - Risiken und Chancen, S.6 14 Vgl. Antje Grobe, Nanomedizin - Risiken und Chancen, S.8-10

7 ~ 7 ~ Doch dieses Verfahren wird in zwei unterschiedliche Verfahren unterteilt: Das sogenannte Hyperthermieverfahren und das Thermoablationsverfahren. Diese unterscheiden sich bei der Erhitzung des Gewebes. Bei dem Hyperthermieverfahren werden die Nanopartikel, die sich im Tumorgewebe befinden, auf C erhitzt, so dass die Zellen des Tumors geschwächt werden und ihr Wachstum verhindert wird, damit die Zellen sensibler auf Chemotherapie reagieren. Bei der Thermoablation werden die Zellen des Tumors bis auf 70 C erhitzt, wodurch diese absterben. 15 Diese Nanotechnologie ist daher sehr nützlich in der Medizin, da weltweit eine der häufigsten Todesursachen Krebserkrankungen sind. Jährlich sterben ca. 7,6 Millionen Menschen an Krebs Risiken und Chancen Bevor ein Produkt einsatzbereit ist, muss dieses durch viele Sicherheitsphasen durch. Selbstverständlich gelten die selben Regeln bei der Anwendung der Nanotechnologie auf Patienten. Die Nanopartikel werden zunächst getestet, ob sie an Menschen oder an Tieren auf Dauer schädliche Wirkungen haben könnten (akute und chronische Toxizität). Die Partikel werden auf drei wichtige Aspekte getestet. Erstens, ob sie Krebs erzeugen (Kanzerogenität), zweitens, ob das Erbgut beeinflusst wird (Mutagenität) und drittens, ob es negative Auswirkungen auf ungeborene Kinder haben könnte (Teratogenität). 17 Bei den Drug Delivery Systemen gibt es oft keine Hinweise auf Risikopotentiale. Sie werden in zwei Arten des Transports unterschieden: Die abbaubaren und nicht abbaubaren Transportsysteme. Viele Experten sind der Meinung, dass bei abbaubaren Transportsystemen, die Fett-, Eiweiß- oder Zucker-Verbindungen vom Körper genauso wie größere Verbindungen verarbeitet werden und somit nicht schädlich fuer den Menschen sind. Im Gegensatz zu den abbaubaren Transportsystemen sind die nicht abbaubaren oder auch persistente Nanomaterialien schädlich, wie beispeilsweise bei der Verwendung von Fullerenen. Doch die Studien haben bewiesen, dass die Schädlichkeit stark abhängig von der Anwendung ist. Diese können nur im Einzelfall betrachtet werden, da die Anwendung nicht immer schädlich sein muss. Ein wichtiger Aspekt bei dieser Art von Krankheitsbekämpfung ist der gesellschaftliche Wandel. Bei der Verlängerung der Lebensdauer bei Krebskranken und die Heilung anderer Krankheiten verschieben sich die Krankheiten in die Zukunft, was somit Einfluss auf Gesellschaftsdiagramme hat. 15 Vgl. Antje Grobe, Nanomedizin - Risiken und Chancen, S Vgl. Antje Grobe, Nanomedizin - Risiken und Chancen, S Vgl. Antje Grobe, Nanomedizin - Risiken und Chancen, S.16-17

8 ~ 8 ~ 4.2 Nanotechnologie in Lebensmitteln Lebensmittel die mit Nanotechnologie verändert oder sogar künstlich erzeugt wurden, bezeichnet man als sogenanntes Nanofood. Diese Technologie wird angewandt um Geschmacksrichtungen, Aromen, Farben oder Konsistenzen bei der Zubereitung zu verändern und um den Functional-Food-Effekt zu verbessern, was bedeutet, dass diese Nahrungsmittel zusätzliche Inhaltsstoffe besitzen um einen positiven Effekt auf die Gesundheit zu haben. Die üblichen Zusatzstoffe sind daher Vitamine und Mineralien. Diese Nano-Alimente werden in Form von Nano-Kapseln eingenommen, um die Aufnahme der Nahrungsmittel besser zu steuern und zu regulieren. Es gibt jedoch zwei interessante Ansichten der Kunden, die sozusagen Nanotechnologie in Nahrungsmitteln kaufen. Wenn die Nanotechnologie die Qualität der Lebensmittel verbessert, wie zum Beispiel durch intelligente Verpackungen, die erlauben, das Verfallsdatum zu überschreiten oder die Verunreinigungen anzeigen, wird diese Technologie als positiv angesehen. Doch wenn man davon spricht Nanopartikeln in Lebensmittel einzusetzen um diese selber wie in den oben genannten Beispielen zu verändern, werden die Kunden oft skeptisch aufgrund möglicher Gefahren dieser Technologie. 5. Heutige Nanotechnologische Produkte Nanoprodukte werden in allen möglichen Bereichen eingesetzt. Wie zuvor bereits erläutert beispielsweise in der Medizin, in Lebensmitteln oder auch zur Energiegewinnung. Wissenschaftler benutzen Nanodrähte zur Gewinnung der Sonnenenergie, die viel effizienter und günstiger sind als andere Drähte, da nur 15% der Sonnenenergie bei der Umwandlung in Strom verloren geht und somit 85% von der Sonnenenergie in Strom umgewandelt wird. 18 Israelische Wissenschaftler der Universität Tel Aviv haben einen Chip erfunden, der es möglich macht, Bomben aufzuspüren. Der Chip besitzt eine Matrix, die aus Nanokabeln aus Silizium besteht. Diese verändern ihre Position sobald sich Bomben in nächster Nähe befinden. 19 Schweizer Forscher haben ein Prozess entdeckt, der mit Nanomagneten funktioniert, um Blut effizienter als bei Dialysen zu reinigen. Der Nanomagnet dient der Zerstörung von Metallen, Proteinen und anderen Krankheitserregern. Dieser Prozess der Blutreinigung ist schneller als eine Dialyse und effizienter, da man keine Filtermembrane benötigt und diese auch nicht beschmutzt werden. 20 Die Firma Intel hat den ersten 3D-Transistor entwickelt, dass heißt die Leistung und die Geschwindigkeit dieser Transistoren steigen enorm, und der Energieverbrauch

9 ~ 9 ~ wird verringert. Diese Entwicklung bestätigt auch die Moores Law, die besagt, dass sich die Leistung in der digitalen Welt jede Monate verdoppelt Aktuelle Forschungsstände Wie schon zuvor schon erwähnt wurde, investiert man viel Zeit und Aufwand, um diesen Bereich weiter zu erforschen, denn Nanotechnologie kann noch viele Probleme lösen. Die Energiegewinnung wird heutzutage immer wichtiger, deshalb haben koreanische Forscher eine Arbeit verfasst, in der sie die Nutzung der Schallwellen beschreiben, um Strom daraus zu erzeugen. Die dazu verwendeten Nanogeneratoren wurden aus Nanokabeln, welche aus Zink-Oxiden bestehen und sehr schallempfindlich sind, gefertigt. Bisher gelang es bei Versuchen nur aus Schallwellen mit 100db Strom der Spannung 50mV zu erzeugen. Diese Erfindung wäre in der Mobiltelefonindustrie sehr gefragt, da man Handys durch Telefongespräche aufladen könnte. 22 Nach dem Erdbeben in Chile am 27. Februar 2010 haben sich Forscher einer englischen Universität mit der Rekonstruktion von Häusern oder sogar Städten durch Nanotechnologie beschäftigt. Derzeit wird versucht, ein Material zu schaffen, welches aus Nanopartikeln besteht, welches seinen Aggregatszustand von flüssig auf fest ändern kann, so bald dieses unter Druck steht. Dieses Material könnte in den Rissen der Häuser eingesetzt werden, um beschädigte Wände zu glätten und zu reparieren. 23 The Estrano Research Group, eine Forschungsgruppe, die von Michael Strano an der MIT geleitet wird, beschäftigt sich mit Tattoos, die an Diabetes Erkrankten helfen könnte, sich besser Insulin zu dozieren Schluss Wie eben ersichtlich wurde, gewinnt die Nanotechnologie mehr und mehr an Bedeutung. Die aktuellsten Forschungen in den verschiedensten Bereichen lassen erwarten,

10 ~ 10 ~ dass dieser Trend anhalten wird. Vor allem in der Medizin lassen die Entwicklungen erhoffen, dass immer weniger Krankheiten tötlich enden werden. Wenn man bedenkt was für rasante Fortschritte die Nanotechnologie im Bereich des Nano-Food macht, bleibt somit abzuwarten, ob sich die Lebensqualität verbessert. Die Bundesministerin für Bildung und Forschung Annette Schavan plant auf jeden Fall schon die nächsten Erwartungen, wie zum Beispiel Nanotechnologie mehr in Umwelt-, Klimaschutz und Energieversorgung einfliessen zu lassen, in den Aktionsplan Nanotechnologie 2015 mit ein

11 ~ 11 ~ 8.Anhang Literaturverzeichnis Printmedien Antje Grobe, Christian Schneider, Mersad Rekić, Viola Schetula ; Nanomedizin Risiken und Chancen; Freidrich-Ebert-Stiftung; Berlin 2008 Links /

12 ~ 12 ~ de/nanotechnologie.php&query=nanotechnologie