FACHTHEMA NANOTECHNOLOGIE. Visionen der Nanotechnologie

Transkript

1 FACHTHEMA NANOTECHNOLOGIE Visionen der Nanotechnologie Gerd Ganteför Fachbereich Physik

2 Geschichte Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthemen Klima & Energie Folie 2 3

3 Der Mensch formt seine Umwelt Mensch Biber Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie 3

4 Der Mensch formt Materie (> 1mm) Schabesteine (1,7 Million Jahre) Faustkeil ( Jahre) Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie 4

5 Fertigungsgenauigkeit Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie 5

6 Die Hochkultur der Ägypter (1/10 mm) Spindelbohrer (2650 v.chr.) Töpferscheibe (2200 v. Chr.) Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie 6

7 Beginn der Neuzeit (1/10 mm) Eisenuhr Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie 7

8 Werkzeugmaschinen 1/10 µm Computergesteuerte Fräsmaschine Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie 8

9 Photolithografie (30nm) Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie 9

10 Die historische Entwicklung Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie10

11 Leben ist Nano Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthemen Klima & Energie Folie11 3

12 Alle höheren Lebenwesen bestehen aus Zellen Pflanzenzellen (links, Zellen eines Blatts) und tierische Zellen (rechts, Hautzellen des Zebrafisches). Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie12

13 Eine Zelle ist eine Nanofabrik Pantoffeltierchen im Lichtmikroskop Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie13

14 Mit dem Elektronenmikroskop ins Innere des Pantoffel- tierchens Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie14

15 Die Antriebshärchen (Zilien) Verankerung einer Zilie im Elektronenmikroskop Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie15

16 Querschnitt einer Zilie Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie16

17 Der Film: Mikrotubuli und Transportproteine Mikrotubuli: röhrenförmige Proteinfilamente (Durchmesser 20nm) Die Tubulin-Einheiten werden ständig angebaut und auch wieder depolymerisiert. Die Mikrotubuli dienen auch als Transportstraßen für Kinesin-Moleküle. Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie17

18 Der Film: Ribosom liest m-rna Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie18

19 Der Film: The InnerLife ofa Cell Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie19

20 Wirklich gefährliche Nanopartikel Viren, die sich auf die Membran einer Bakterie geheftet haben. Die DNS-Moleküle, die in die Zelle injiziert wurden, sind nicht sichtbar. Die Zelle hat bereits mit der Produktion von neuen Viren begonnen (dunkle Flecken im Innern). Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie20

21 Natürliche Nanopartikel Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthemen Klima & Energie Folie21 3

22 Natürlicher Feinstaub Pro Atemzug: Millionen Partikel Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie22

23 Siliziumdioxid Mikro- und Nanopartikel Sandsturm in der Sahara Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie23

24 Sulfat- Aerosole Elektronenmikroskopische Aufnahme eines großes Ammoniumsulfat- Aerosolpartikels, das an einem agglomerierten Rußpartikel haftet. Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie24

25 Visionen: Klima Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthemen Klima & Energie Folie25 3

26 Die Energiewende kommt zu spät 80 % Strom in 25 Jahren (Ausbaurate 12 Mia kwh pro Jahr) 60 % Gesamt in 100 Jahren Verdoppelung CO 2 in 100 Jahren (Anstieg 0,0015 Promille/a) Erwärmung 4 Grad (mit Methan) Eem-Warmzeit +2 Grad, Meeresspiegel +5 Meter Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie26

27 Paul J. Crutzen Direktor am Max-Planck-Institut in Mainz 1995 Nobelpreis für Chemie ("Ozonloch") Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie27

28 Nanopartikel im Weltall Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthemen Klima & Energie Folie28 3

29 Fullerene in planetarem Nebel Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthemen Klima & Energie Folie29 3

30 Ultrafeinsstaub im Weltall Nanopartikel im Weltall Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthemen Klima & Energie Folie30 3

31 Energiewende Visionen: Energiespeicher Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthemen Klima & Energie Folie31 3

32 Super- Kondensatoren Faktor100 besser als herkömmliche Kondensatoren Faktor 10 schlechter als Batterien Vorführung Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie32

33 Super-Super- Kondensatoren? Elektronenmikroskopische Aufnahme eines Geflechts aus Kohlenstoff-Nanotubes. Die Nanotubes wurden zur Erhöhung der Kapazität mit Rutheniumoxid beschichtet. Ein Kondensator mit solchen Elektroden erreicht in Laborproben Kapazitäten, die rund 100 mal höher sind als die bisheriger Superkondensatoren. Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie33

34 Energiewende Visionen: Nanosiebe Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthemen Klima & Energie Folie34 3

35 Nanosieb, hergestellt mit FIB Mittels Focussed-Ion-Beam- Technologie hergestelltes Silizium-Nanosieb. Die Bohrungen haben einen Durchmesser von 25nm, während die Silziummembran nur 10 Nanometer dick ist. Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie35

36 Nanosieb aus Nanotubes Polymerschicht, in die von oben nach unten verlaufende Kohlenstoff-Nanotubes eingelagert sind. Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie36

37 Visionen: Computer Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthemen Klima & Energie Folie37 3

38 Fertigungsgenauigkeit Faktor 100 schlechter als die Natur (Stand 2008) Elektronenmikroskopische Aufnahme einer photolithografisch hergestellten Struktur aus parallelen Stegen. Zu kleine Stege, die einen Abstand von weniger als 20nm haben, können nicht mehr präzise hergestellt werden (Stand 2008). Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie38

39 16 TByte Speicherchip (Stand 2012) Flash-Speicherchip mit einer Kapazität von Megabyte und einer Größe von 1,5 cm 2. Auf diesem Chip ließe sich der Text der Bibel 5600 mal speichern. Ein Bit hat eine Größe von 34x34 Nanometern. Erzeugt wurde dieser hochmoderne Chip mit einer 20nm Prozesstechnologie der Photolithografie. Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie39

40 Die historische Zunahme der Rechenleistung Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie40

41 Grenzen der Speicherdichte In zwei Dimensionen: Maximale Steigerung um weiteren Faktor 100 (3nm Bits) Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie41

42 Rechenleistung des menschlichen Gehirns: 100 Milliarden Neuronen 1000 Verbindungen zu anderen Neuronen pro Verbindung 200 Rechenschritte pro Sekunde(calculations per second =cps) RechenleistungGehirn: 2 x10 16 cps Rechenleistung CPU für 1000 $ = cps Computer: mal langsamer (noch) In zwei Dimensionen: Maximale Steigerung um weiteren Faktor 100 In drei Dimensionen: > Faktor 1 Million Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie42

43 Die Zukunft der Computer nach Kurzweil Rechenoperationen pro Se ekunde pro 1000 Euro Alle Menschen Mensch Maus Insekt Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie43

44 Computervisionen -Spracherkennung - Bilderkennung - echtes Verstehen? Beispiel einer Computerübersetzung: Trotz jahrzehntelanger Entwicklung sind Programmiersprachen gut verstanden was noch nicht kämpfen, um nur einen Teil des Bildes Objekt zu erkennen. Korrekte Übersetzung: Trotz jahrzehntelanger Entwicklung können Computer Sprache immer noch nicht gut verstehen und auf Bildern nur wenige Gegenstände mühsam erkennen. - Die technologische Singularität Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie44

45 Militärische Visionen Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthemen Klima & Energie Folie45 3

46 Nanodrohne Vision eines flugfähigen Aufklärungs- und Angriffs- Roboters. Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie46

47 Visionen: Medizin Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthemen Klima & Energie Folie47 3

48 Was passiert, wenn der Mensch die Kontrolleüber die Nanovorgänge in der Zelle erringt? Gentechnisch veränderte Zierfische, die bei UV-Bestrahlung leuchten Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie48

49 Wo liegen die Grenzen der Bio-Nanotechnologie? Mögliche Entwicklungen: Krebs wird besiegt werden Blinde werden sehen können Lahme werden gehen können Ersatz-Organe aus körpereigenem Gewebe Superblut Genetische Kontrolle der Persönlichkeit Gedankenlesen Maschinenunterstützte Biofunktionen Kontrolle der Lebenserwartung? Nervenzelle wächst auf Computerchip Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie49

50 Zusammenfassung - ein neues Zeitalter beginnt - neue Lösungen alter Probleme. Zum Beispiel: - Klimakontrolle durch Aerosole - Energiespeicherung in Super-Nanospeichern - sauberes Trinkwasser aus Nanosieben - Intelligente Computer - Sprach- und Bilderkennung, echtes Verständnis, KI - Steigerung der Produktivität, Betreuung, Operationen,... - Militärsiche Visionen - Nanodrohne -Medizin - alle Krankheiten und Behinderungen werden geheilt - Genetische Optimierung der Eigenschaften - Maschinen-unterstütze Biofunktionen - Kontrolle der Lebenserwartung? Gerd Ganteför Fachbereich Physik Fachthema Nanotechnologie Folie50