Präsentationsmaterialien Reise in den Nanokosmos

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1 Präsentationsmaterialien Reise in den Nanokosmos I. Wissenschaftlich-technische Grundlagen II. Anwendungen, Produkte, Märkte III. Gesellschaftliche und politische Aspekte

2 Einleitung Um Wirtschaft, Beschäftigung und Qualifikation in Deutschland voranzubringen, den Nutzen der Nanotechnologie für den Menschen zu sichern und Nachwuchskräfte zu gewinnen, ist es wichtig, auch in der Öffentlichkeit die Chancen und Potenziale der Nanotechnologie zu vermitteln. Im Auftrag des Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) hat das VDI Technologiezentrum, einen dreiteiligen Foliensatz als Präsentationsmaterial für allgemeine Verwendungszwecke bereitgestellt, beispielsweise im Unterricht, in Seminaren oder Vorträgen. Zu den Folien haben Forschungseinrichtungen, Nanotechnologiekompetenzzentren und Nanotechnologie-Unternehmen beigetragen. Die Folien sind für die Vermittlung der Grundlagen der Nanotechnologie, z.b. im Unterricht oder bei Präsentationen, gedacht und dürfen zu nicht kommerziellen Zwecken eingesetzt werden.

3 Überblick Präsentationsmaterialien Teil 1 Technisch-wissenschaftliche Aspekte der Nanotechnologie Der Innovationsschub kommt aus dem Nanokosmos: Was ist Nanotechnologie? Grundlegende Strukturen, Phänomene und Prinzipien nanoanalytische Werkzeuge und nanotechnische Herstellungsverfahren Bilder (v.l.n.r.): Instiitut für Physikalische Chemie - Universität Hamburg, MPI für Biochemie, Martinsried und Infineon Technologies AG, München, CC Nanoanalytik (HanseNanoTec), Degussa AG, CC NanOp (TU Berlin)

4 Reise in den Nanokosmos (1) Ameise und Diodenlaser (VCSEL) Fliegenauge im Mikrokosmos (200 µm bis 2 µm) DNA im Nanokosmos (300 nm bis 6 nm) 200 µm 16 µm 300 nm 40 µm 2 µm 6 nm Bilder: Forschungszentrum Jülich, Institut für Physik - Universität Basel (DNS, 300nm), Institut für Organische Chemie - Universität Bonn (DNS, 6nm)

5 Reise in den Nanokosmos (2) Größenverhältnisse 10 0 m = 1,0 m = 1 m (1 Meter) 10-3 m = 0,001 m = 1 mm (1 Millimeter) 10-6 m = 0, m = 1 µm (1 Mikrometer) 10-9 m = 0, m = 1 nm (1 Nanometer) 1 m 1 nm» Bild (links): Flad & Flad Communication GmbH, Eckental

6 Als Vater der Nanotechnologie gilt Richard Feynman 1959: There is plenty of room at the bottom Kleinheit ermöglicht neue Funktionalitäten Eroberung des Nanokosmos für technische Anwendungen Bild: Caifornia Institute of ltechnology, USA

7 Drei wesentliche Eigenschaftsänderungen in der Nanowelt Quantenmechanisches Verhalten Neue Technische Physik durch Änderung von Farbe, Transparenz Härte Magnetismus elektrischer Leitfähigkeit Vergrößerte Oberfläche Neue Chemieprozesse durch Änderung von Schmelz- und Siedepunkt chemischer Reaktivität katalytischer Ausbeute Molekulare Erkennung Neue Bioanwendungen durch Kombination mit Selbstorganisation Reparaturfähigkeit Adaptionsfähigkeit Erkennungsfähigkeit Bilder (v.l.n.r.): Institut für Physikalische Chemie - Universität Hamburg, BASF AG, Ladwigshafen, Siemens AG, München

8 Treffpunkt Nanokosmos: Nanotechnologie erfordert Interdisziplinarität NANO MIKRO MAKRO Strukturgröße Technische Physik Biologie Chemie 0,1 m 1 cm 1 mm 0,1 mm 10 µm 1 µm 0,1 µm 10 nm 1 nm 0,1 nm Miniaturisierung Funktionalisierung Komplexierung Neue Märkte F&E-Zeitskala

9 Nanostrukturen Lernen von der Natur: Lotus-Effekt -Oberflächen Selbstreinigung der Lotus-Pflanze Lotus Pflanze Blattoberfläche Beispiel aus der Natur Künstliche Strukturen Tropfen nimmt Staubteilchen auf Extrem geringe Benetzung Nanostruktur Künstlich strukturierte Oberflächen, z.b. galvanisch hergestellte, metallische Kupferfolie, überzogen mit feinsten Nanonadeln Quelle und Bilder: Nees-Institut für Biodiversität der Pflanzen - Universität Bonn

10 Prinzip des Rastertunnelmikroskops (Nobelpreis Binnig und Rohrer 1986) 1) Eine atomar feine Spitze rastert die Oberfläche der Probe ab. 2) Zwischen Spitze und Probe fließt ein konstanter Tunnelstrom: Abstand zur Oberfläche wird nachgeregelt und konstant gehalten Spitze folgt dem Höhenprofil Nanometer- Stellglieder (Piezokristalle) Probe Position x Stromkreis des Tunnelstroms h Regelgröße h x Quelle und Bild: CC NanOp

11 Prinzip des Rasterkraftmikroskops Kontaktmodus 1) Eine atomar feine Spitze rastert die Oberfläche der Probe ab. 2) Ein Laserstrahl misst, wie weit die Spitze durch Kontakt mit der Probe abgelenkt wird: Nachregelung des Haltearms der Spitze (Regelgröße h) für konstante Auslenkung Spitze folgt dem Höhenprofil h Position x x Regelgröße h Nanometer- Stellglieder (Piezokristalle) Probe Laserstrahl zeigt die Auslenkung der Spitze an Federarm mit Spitze Quelle und Bild: CC NanOp

12 Ein Rasterkraftmikroskop in Aktion Laserstrahl zum Bestimmen der Auslenkung der Sondenspitze Der Laserstrahl wird abgelenkt Probe wird vorgeschoben Ausgangsposition des Federarms Quelle und Bild: CC Nanoanalytik( HanseNanoTec) Die Rauigkeit der Probe lenkt den Federarm aus.

13 Dynamische Rasterkraftmikroskopie (2) Tapping Modus und Non-Contact Contact-Modus Die Sonde (Federarm) wird in Schwingungen versetzt. Die Wechselwirkung mit der Probenoberfläche verändert die Schwingungsfrequenz. Tapping Mode (TM-AFM): Die Probenoberfläche wird bei jeder Schwingung kurz berührt. geringere Beschädigung der Probe und der Sonde, als im normalen Kontakt-Modus. Non Contact Mode (NC-AFM), Berührungslose Rasterkraftmikroskopie Van der Waals-Kräfte bewirken eine Änderung der Schwingungsfrequenz, bevor die Sonde die Probe berührt zerstörungsfreies Messen mit atomarer Auflösung. Quelle und Bild: CC Nanoanalytik( HanseNanoTec)

14 Rasterkapazitätsmikroskopie Das Messen der Kapazität zwischen Probe und Sondenspitze erlaubt eine elektrische Charakterisierung der untersuchten Probe. Diese Messmethode ist zum Beispiel für die Analyse von Computerchips von Bedeutung. Kapazitive Landschaft eines Computerchips Quelle und Bild: CC Nanoanalytik( HanseNanoTec)

15 Magnetische Rasterkraftmikroskopie Wird eine magnetische Sondenspitze verwendet, ist es möglich, die magnetischen Eigenschaften einer Probe zu vermessen. Dabei ist es möglich, die Spitze horizontal oder auch vertikal zu magnetisieren. Die Magnetische Rasterkraftmikroskopie findet zum Beispiel bei der Entwicklung magnetischer Datenspeicher, wie Computerfestplatten, Verwendung. Magnetische Landschaft eines magnetischen Speicherbandes Quelle und Bild: CC Nanoanalytik( HanseNanoTec)

16 Eigenschaften von Nanopartikeln unterschiedlicher Größe Nanopartikel sind kleine Kristalle, die sich je kleiner sie sind mehr und mehr wie ein Molekül verhalten Schema eines CdTe-Nanopartikels mit stabilisierender Hülle CdSe-Nanopartikel in Lösung (1,5-4,0 nm) Fluoreszenz abhängig von Partikelgröße 2 nm 5 nm Partikelgröße Quelle und Bilder: Institut für Physikalische Chemie - Universität Hamburg

17 Latex-Mikrokugeln mit Nanopartikeln beschichtet Herstellungsprinzip: 5?m Anwendung: Markierungen für Biochips Kern-Schale-Mikropartikel: Latex-Kern mit Nano-Hülle (unterschiedlich große Nanopartikel) Quelle und Bilder: Institut für Physikalische Chemie - Universität Hamburg

18 Überstrukturen aus Nanopartikeln: vom Atom zum Superkristall Cd- und Se- Atome bilden Nanopartikel, die Nanopartikel ordnen sich symmetrisch an und bilden symmetrische Kristalle Quelle und Bilder: Institut für Physikalische Chemie - Universität Hamburg

19 Herstellung von Quantenpunkten Reaktionsgase Wafer Heizung ~600 C Metall-organische Gase (z.b. Arsen-Wasserstoff, Tri-Methyl- Gallium) werden über einen Halbleiter-Wafer geleitet Gase zerfallen, Metallatome kondensieren und bilden (bei richtiger Temperatur und Druck) Nano-Kristalle: Quantenpunkte durch Selbstorganisation Quelle: CC NanOp (TU Berlin)

20 Quantenpunkte sind einander selbstähnlich und entstehen von allein durch Selbstorganisation 20 nm 500 nm Nanopyramiden - selbstorganisierte Quantenpunkte aus Indium-Arsenid Transmissions-Elektronenmikroskop- Aufnahme eines Feldes von pyramidenartigen Quantenpunkten aus Indium-Arsenid Quelle: CC NanOp (TU Berlin)

21 Eigenschaften und Anwendungspotenzial von Kohlenstoff-Nanoröhren (engl.. Carbon-Nanotubes Nanotubes,, CNT) Kohlenstoff-Nanoröhre als elektronischer Transistor Eigenschaften: Steifigkeit: 2000 x Diamant Druckfestigkeit: 2 x Kevlar Zugfestigkeit: 10 x Stahl hohe elektr. Leitfähigkeit Univ. Basel Anwendungspotenzial: Feldemissionsdisplays CNT-Elektronik Aktuatoren Verbundwerkstoffe (H 2 Speicherung),... Bilder: Infineon Technologies AG, München (l.), Institut für Physik - Universität Basel (r.)

22 Photonische Kristalle optisches Pendant zu einem elektronischen Halbleiter mit einer optischen Bandlücke in einem definierten Wellenlängenbereich können wegen ihrer besonderen Mikrostruktur Lichtstrahlen lenken. Anwendungsgebiet: z.b. Optoelektronik, Lichtwellenleiter,... Bilder: Institut f für Physik - Universität Paderborn, MPI für Mikrostrukturphysik Halle

23 Grundprinzip der (Extrem)-UV-Lithografie (EUVL) Quelle: Fraunhofer IWS, Dresden Bilder: Fraunhofer IWS, Dresden (m.), Carl Zeiss AG, Obercochen (r.)

24 Flüssigkeiten mit magnetischen Nanopartikeln (Ferrofluide) Stabilisierung der Nanopartikel durch Grenzflächen aktive Stoffe (Tenside) Anwendungsgebiete: Schmierstoffersatz in Getrieben Dichtungen Stoßdämpfer... Formbildung im Magnetfeld Bilder: Degussa Advanced Nanomaterials, Hanau

25 Ultrapräzise Oberflächenbearbeitung Beispiele aus der Optik und Elektronik optische Oberflächen (Linsen, Prismen etc.) Geräteentwicklung für die sub-100nm-lithografie ultraglatte Wafer für Siliziumchips Nanostrukturierung Weltraumforschung,... Rauheit [nm] Feinpolieren (magnetfeldgestützt) Feinstpolieren (div. Varianten) 10-6 Computerkontrolliertes Polieren Duktile Bearbeitung Ionenstrahlätzen Plasmaätzen konventionelles Schleifen Elektrolytisches Polieren Einkorndiamant- Bearbeitung Abtragrate [ mm 3 / s] Quelle: CC UPOB Diagramm frei nach I.F.Stowers, R.Komanduri und E.D.Baird (1988) Bilder: Infineon Technologies AG, München (l.u.), Carl Zeiss AG, Obercochen(r.o.)

26 Riesen-Magnetowiderstand in ultradünnen Schichten (Giant( Magneto-resistance resistance,, GMR-Effekt) Prinzip des GMR-Effektes: spinabhängige Streuung des Elektrons an Grenzflächen Widerstand ist hoch, wenn die Magnetisierungsrichtungen antiparallel sind einfache Zusammensetzung z. B.: Co/Cu/Co Effekt: ca. 8% in einfachen Systemen bis zu 100% in Vielfachstapeln (bei tiefen Temperaturen) Anwendungen: in Leseköpfen für Festplatten Positionssensorik, berührungslose Sensorik Rel. elektrischer Widerstand (%) parallel magnetisiert antiparallel magnetisiert Magnetfeldstärke parallel magnetisiert Quelle und Grafik: Institut für Physik - Universität Bielefeld

27 Nanobiotechnologie: Kopplung elektronischer und biologischer Systeme Eine Nervenzelle (Neuron) auf einer Silizium-Halbleiterstruktur ermöglicht die direkte Übertragung der Nervenimpulse der Zelle auf den Halbleiter in Form elektronischer Signale. Solche Testzellen könnten in Zukunft bei der Entwicklung und beim Testen neuer Medikamente helfen. 40mm Bilder: MPI für Biochemie, Martinsried (l.); MPI für Biochemie, Martinsried und Infineon Technologies AG, München (r.)