Nanosysteme in Natur und Technik Elektronik und Ionik

Transkript

1 Nanosysteme in Natur und Technik Elektronik und Ionik Die Suche nach einem Quadrat-Nanometer Nanosysteme der Natur (Ionik) Nanostrukturen mit technischer Relevanz (Opto-Elektronik)

2 Wie schwierig ist es einen Quadrat-Nanometer in einem Quadratmeter zu finden? 1 Nanometer = 10-9 m = 10-7 cm = 10-6 mm = m

3 Veranschaulichung eines Quadrat-Nanometers 1 m 1 nm 10 km

4 Suche nach einem Nano-Quadratmeter 100 m 2.44 m 7.32 m 10 μm 10 m

5 Findet man ein bestimmtes Haar in Ilmenau, kann man auch einen Nano-Quadratmeter in einem Quadratmeter entdecken.

6 Welche Relevanz haben natürliche Nanosysteme? Ist das Hören von Musik ohne Hilfe von organischen Nanostrukturen möglich? Von Groß nach Klein! Von der Makro- über die Mikro- in die Nanowelt! Vom Innenohr über die Basilar-Membran zur Haarzelle!

7 Das menschliche Hörorgan Der Dynamikbereich des menschlichen Ohres ist enorm: - unteres Limit: Brownsche Bewegung der Luftmoleküle im Innenohr - oberes Limit: Schmerzschwelle bei db, auftretende Druckdifferenzen erstrecken sich über 12 bis 16 Größenordnungen

8 Die Natur von Schallwellen tiefer Ton, kleine Frequenz komprimierte Luft hoher Ton, große Frequenz Schallwelle entspannte Luft Trommelfell

9 Mikro- und Nanosysteme des menschlichen Ohrs Achtung Physik! Hammer Amboss Bügel Hörknochen ovales Fenster Hörnerv Knochen Innenohrschnecke Gehörgang Vorraum Ohrmuschel Trommelfell rundes Fenster eustachische Röhre

10 Mikro- und Nanosysteme des menschlichen Ohrs Hammer, Amboss, Bügel Innenohrschnecke Schnecke mit Basilarmembran

11 Tonhöhen- bzw. Frequenzerkennung durch Basilarmembran Achtung Physik! Trommelfell Basilarmembran

12 Das Innenohr Innenohrschnecke tektoriale Membran Haarzellen Flimmerhaare Querschnitt Basilar-Membran Hörnerv

13 Innere und äußere Haarzellen nm Innere- und äußere Haarzellen Innere Haarzelle Flimmerhärchen

14 Flimmerhärchen bei Bewegung der Basilarmembran

15 Funktion der Flimmerhärchen und der Haarzelle Achtung Biologie! Flimmerhärchen werden verbogen Haarzelle Flimmerhaare Depolarisierung Zelldruck nimmt zu Nukleus Ionenkanäle der Flimmerhärchen werden aktiviert Ionik!! Nervenzelle Neurotransmitter zum Gehirn

16 Ionenaustausch durch Ionenkanäle Depolarisierung Membrane wird durchlässiger Na + -Ionen diffundieren schnell in die Zelle K + -Ionen diffundieren langsam aus der Zelle Zustand Potentialänderung über Membran (-70 mv) Gradient in der Ionenverteilung (K + in Zelle, Na + außerhalb der Zelle) Aktionspotential

17 Ankopplung der Haarzelle an den Hörnerv Potentialänderung in Haarzelle führt zur Abgabe von Ca 2+ -Ionen Schallwelle Ca 2+ -Ionen werden von Rezeptoren des Hörnervs aufgenommen Aktionspotential (100 mv) verursacht feuern der Nervenzellen Informationstransport zum Gehirn

18 Leistung des Gehirns Kopplung zum Anfang der Basilarmembran Kopplung zum Ende der Basilarmembran Primärer Cortex Sekundärer Cortex

19 Welche Rolle spielen organische Nanomaschinen (Ionenkanäle) beim Hörvorgang? Von Klein nach Groß! Von der Atomaren-Welt in die Nanowelt! Von den Atomen zur Aminosäure, zum Protein zur Zelle!

20 Atomare Welt der Aminosäuren Proteine sind die eigentlichen "Arbeitstiere" der Zelle. Beispiele: Enzyme, Strukturproteine, Regulatoren der Genexpression Proteine bestehen aus bis zu 20 verschiedenen Aminosäuren Aminosäure: Achtung Chemie! H H 3+ N C COO - Aminogruppe α R 5 Å = 0.5 nm Carboxylgruppe

21 Verknüpfung von Aminosäuren H R H R H 3 + N C α C O O - H N C α C O O - H Kondensationsreaktion R H O - H 3 + N C α N C C O H Peptid-Bindung α C R O + H O 2

22 Entstehung von Proteinen und ihren Sekundärstrukturen Polypeptidschwanz Ein kurzer Polypeptidschwanz wird kurz als Peptid bezeichnet

23 Wasserstoff-Bindungen, Entstehung einer Helix Jedes Wasserstoff-Ende einer Aminosäure bindet an ein Sauerstoffatom, welches vier Aminosäuren weit entfernt ist.

24 Die α-helix aus Aminosäuren Umfang etwa 4 Aminosäuren (2 nm)

25 Bildung eines Kanalproteins Mehrere α-helices können sich zu einem Kanalprotein zusammenlagern: hydrophobe Außenseite (eingebettet in die Zellmembran) Zellmembran (Aufsicht!) hydrophiles Zentrum Kanalprotein

26 Das Kanalprotein Porin

27 Das Kanalprotein Porin De Groot & Grubmüller, Science 294, (2001)

28 Das Kanalprotein Porin Porin bei ph-wert < 3.0 AFM zeigt Höhenunterschiede von 0.6 nm, Pore ist geschlossen Porin bei ph-wert 7.0 AFM zeigt Höhenunterschiede von 1.3 nm, Pore ist geöffnet

29 Organische Nanoventile steuern Ionenfluß und Informationsfluß zum Gehirn Schallwelle

30 Die Sinneswahrnehmung wurde durch die Natur mit Hilfe organischer Mikro- und Nanostrukturen optimiert!

31 Gibt es natürliche Nanomaschinen?

32 Viren: Bakteriophagen (T2 und T4) Kopf 65 nm Kragen DNA Basisplatte Schutzhülle Schwanz

33 Bakteriophagen beim Angriff auf ein Bakterium Achtung Biologie! Bakteriophagen, Viren Bakterium

34 Bakteriophage bei der Infizierung eines Bakteriums Bakteriophagen sind eine Untergruppe der Viren die Bakterien infizieren Viren bestehen aus Erbsubstanz (DNA, RNA) und Proteinhülle Viren besitzen keinen eigenen Stoffwechsel (vermehren sich innerhalb eines Bakteriums) Grenze zwischen belebter und unbelebter Natur

35 Wie schwer ist ein Virus? f = 1.21 MHz 1 f = 1.27 MHz 0 Viren Poxviridae Silizium Mikrobalken Amplitude [r.e.] m(virus) = g = ng = 9.5 fg Q = 5 k = N/m A. Gupta et al. APL 84 (2004) Frequenz [MHz]

36 Mikroresonatoren mit Nanometer-Dicke 25 μm 150 μm

37 Movie eines Mikroresonators

38 Gibt es künstliche Nanostrukturen in unserem Alltag? Wo sind kleinste Abmessungen von technischer Bedeutung? Stand der Technik und Forschung?

39 Digitale Tonträger und Datenspeicher Achtung Physik! CD Laser Objektiv Linse Spiegel λ/4-platte Kollimator Gitter Polarisierender Strahlteiler Linse Zylinder- Linse Photodiode

40 CD-Herstellung Was haben Nanostrukturen mit einer CD zu tun?

41 CD-Herstellung Achtung Chemie! Plastikgranulat Presse mit Pressmatrize CD-Rohling

42 CD-Herstellung

43 Digitale Information einer CD Pressmatrize Oberfläche CD-Rohling

44 CD-Herstellung Verspiegelung der CD-Rückseite durch Aluminiumschicht

45 CD-Herstellung Versiegelung der CD durch Lack

46 Mikrostrukturen einer Compact Disk 830 nm 400 nm CD DV

47 Mikro- und Nanostrukturierung sowie Auslesen durch Licht CD pit DVD pit Zukünftiger HD-DVD pit AlGaAs 780 nm AlGaInP 650 nm GaN 410 nm Kapazität: 650 MB 4.7 GB 15 GB

48 Wie gelingt die Erzeugung und Detektion von Licht mit kleiner Wellenlänge? Worin besteht der Nutzen von Nanostrukturen?

49 Blaues- und UV-Licht emittierende Laserdioden p-gan 200 nm 4x12 nm 5x3 nm GaN In0.14Ga0.86N/ n-in0.01ga0.99n n-gan n-in Ga N nm 70 nm 20 nm 63 nm 70 nm 700 nm 100 nm blaues oder UV-Laserlicht n-al n-al 0.015Ga Ga N 4 μm d = 20 μm c-al O 2 3

50 Modernes CD-Laufwerk mit blauem Emitter und Detektor

51 Spektrale Empfindlichkeit eines GaN-basierenden Detektors Wellenlänge [nm] sichtbar 300 ultraviolet 250 UV-Laser Empfindlichkeit [A/W] Photonenenergie [ev] V B i-algan n-algan n-sic n-si(111) GaN-QDs Ti-Kontakt

52 Anstieg der Speicherkapazität durch Reduzierung der Wellenlänge Speicherkapazität [GBit] Infrarot Laser 780 nm CD-ROW 650 MB Blauer Laser 410 nm DVD-Video 2x4.7 GB CD-RW 650 MB HD-DVD-Video 2x15 GB HD-DVD-RAM 2x15 GB DVD-RAM 2x4.7 GB DVD-RAM 2x2.6 GB Roter Laser 650 nm Jahr

53 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Weitere Informationen: Tel.: 03677/