Nanotechnologie
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Uwe Hartmann
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Nanotechnologie
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Spektrum Akademischer Verlag
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9783827418029
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1
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CHF 22.20
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Naturwissenschaft
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German
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175
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Wasserzeichen/DRM
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PC/MAC/eReader/Tablet
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PDF
Die Nanotechnologie ist die große Querschnittstechnologie des 21. Jahrhunderts. Ihre Anwendungsbereiche reichen von Computern mit bisher unvorstellbarer Leistungsfähigkeit bis hin zu völlig neuen Krebstherapien. Die Faszination Nanotechnologie bietet Studierenden der Natur- und Ingenieurwissenschaften, aber auch für die berufsbegleitende Weiterbildung und für interessierte Laien, einen umfassenden Überblick über die interdisziplinären Grundlagen und industriellen Anwendungen.
Bestimmte Schlüsselthemen von grundlegender Bedeutung, wie etwa die Rastersondenverfahren oder die Nanobiotechnologie, werden in Form vertiefender Kapitel ausführlich behandelt.
Der Autor
Prof. Dr. Uwe Hartmann studierte Physik an den Universitäten Münster, Gießen und Basel und war als Wissenschaftler längere Zeit am Forschungszentrum Jülich tätig. Seit 1993 ist er Professor für Experimentalphysik an der Universität des Saarlandes. Sein Forschungsgebiet ist die Nanostrukturphysik, die er auch in der Lehre maßgeblich vertritt.
Prof. Hartmann ist Mitbegründer des größten europäischen Netzwerkes im Bereich Nanobiotechnologie, NanoBioNet e. V. 1998 wurde er für Entwicklungen in der Nanotechnologie mit dem Philip Morris Forschungspreis ausgezeichnet.
3 Miniaturisierung
(S.19)
Die gezielte Ausnutzung der Kausalität zwischen Funktionalität und struktureller Größe setzt technologische Möglichkeiten voraus, hinreichend kleine strukturelle Abmessungen – d. h. Abmessungen im Nanometermaßstab – gezielt zu erzeugen.
Hieraus leitet sich direkt eine Motivation zur Erarbeitung von Miniaturisierungsstrategien ab, die gleichwohl nicht ausschließlich durch Fortschreibung der Miniaturisierungsverfahren der Mikroelektronik entwickelt werden können. Dies resultiert insbesondere daraus, dass es wissenschaftliche, technische und auch ökonomische Grenzen der Fortschreibung von Top-down-Ansätzen gibt.
3.1 Motivation
Das Bestreben, charakteristische Abmessungen technischer Vorrichtungen, Bauelemente oder Komponenten so weit wie möglich zu miniaturisieren, hat sich in der Technikgeschichte als wohl stärkste Triebfeder zur Entwicklung neuer Technologien und damit als ein wesentliches Element des technischen Fortschritts schlechthin erwiesen. Dieser Befund verdeutlicht allerdings zunächst nicht, woraus das Streben nach Miniaturisierung und damit derWert der Kleinheit grundsätzlich resultiert.
Letzteres ist jedoch bei näherer Betrachtung offensichtlich für alle Technologien. Eine hinreichende Kleinheit einer technischen Komponente ist erforderlich, wenn die Funktionsfähigkeit des Gesamtsystems diese Kleinheit erfordert, wenn Kleinheit zur Benutzerfreundlichkeit oder Ergonomie beiträgt oder wenn die Miniaturisierung von Strukturen aus ökonomischen Gründen erforderlich ist.
Es ist offensichtlich, dass beispielsweise ein endoskopisches Verfahren in der Medizin nur realisiert werden kann, wenn das Endoskop genügend klein ist. Ebenso offensichtlich ist, dass ein stark miniaturisierter Herzschrittmacher einen höheren Tragekomfort bietet als die ersten Geräte von der Größe einer Schuhcremedose.
Der Zusammenhang zwischen konsequenter Miniaturisierung und Ökonomie wird insbesondere am Beispiel der Halbleiter-Speicherchips deutlich, wo die Zunahme der Integrationsdichte zu einer dramatischen Reduktion derKosten pro Informationseinheit geführt hat. Die Mikroelektronik ist überhaupt ein gutes Beispiel dafür, dass häufig alle genannten Miniaturisierungsgründe gleichzeitig vorliegen und damit gleichermaßen Motivation für die Miniaturisierung sind: Die heutigen PCs sind aufgrund fortschreitender Miniaturisierung der Komponenten in der Lage, Probleme zu lösen, die auf diese Weise vor zehn Jahren nicht lösbar waren.
Dabei sind sie gleichzeitig nutzerfreundlicher und im Allgemeinen nicht teurer als seinerzeitige Computer. Die Miniaturisierung hat also im Laufe der Zeit bestimmte Produktionsabläufe erst ermöglicht, andere humaner gestaltet und hat dafür gesorgt, dass viele Produkte für eine breite Bevölkerungsschicht überhaupt erschwinglich sind und zur Verfügung stehen können.
Nirgendwo hat die Miniaturisierung zu einer so konsequenten und dramatischen Entwicklung wie in der Mikroelektronik und seit einigen Jahrzehnten auch in der Mikrosystemtechnik geführt. Der Übergang von elektromechanischen Bauteilen zur Elektronenröhre, von der Elektronenröhre zum Einzeltransistor und vomTransistor zum stetig fortentwickelten integrierten Schaltkreis beinhaltete sowohl Technologiesprünge als auch die kontinuierliche Verfeinerung bestehender Strategien.
Miniaturisierung konnte dabei direkt in Machbarkeit, Arbeitserleichterung und ökonomische Perspektiven umgesetzt werden. Die fortschreitende Miniaturisierung mikroelektronischer Bauelemente, die durch das in Abbildung 3.1 dargestellte Moore’sche Gesetz beschrieben wird, hält bis heute an: Circa alle 18 Monate verdoppelt sich die Integrationsdichte, was mit einer entsprechenden Erhöhung der Leistungsfähigkeit verbunden ist (Sze 2002).
Obwohl dieses empirische Gesetz eine erstaunlich lange Gültigkeitsdauer besitzt, wird eine kontinuierliche Fortschreibung in die Zukunft nicht möglich sein. Die Entwicklungen in der Mikroelektronik sind ökonomiegetrieben. Den beträchtlichen Kosten, die eine entsprechende Halbleiterfabrik verursacht, standen bislang Gewinnerwartungen gegenüber, die es zumindest für eine abnehmende Zahl global agierender Unternehmen sinnvoll erscheinen ließ, die Miniaturisierung weiterzutreiben.
Bei dem zukünftig zu erwartenden Anstieg von Entwicklungs- und Herstellungskosten dürften zunächst nur noch wenige globale Allianzen in der Lage sein, die technologische Entwicklung fortzuführen, bis dann unter Umständen endgültig ein ökonomisches Limit erreicht ist.
Inhalt
6
Vorwort
8
Teil 1 Begriffsbestimmung und Einordnung
10
1 Einleitung
12
2 Grundlagen
16
2.1 Was ist Nanotechnologie?
16
2.2 Historische Entwicklung
20
2.3 Faktische Bedeutung
22
Teil 2 Wissenschaftliche und technologische Grundlagen
26
3 Miniaturisierung
28
3.1 Motivation
28
3.2 Konzepte und Strategien
31
3.3 Grenzen der Skalierbarkeit
33
4 Strukturgröße und Funktionalität
36
4.1 Atomare Anordnung und resultierende Eigenschaften
36
4.2 Größe-Eigenschafts-Relationen
41
4.3 Maßschneidern neuer Eigenschaften
43
5 Nanobiotechnologie
52
5.1 Begriffsbestimmung
53
5.2 Nano-to-bio-Technologien
57
5.3 Bio-to-nano-Technologien
60
6 Standardverfahren der Nanotechnologie
66
6.1 Analytische Verfahren
67
6.2 Präparative Verfahren
91
6.3 Aspekte der industriellen Fertigung
93
Teil 3 Wirtschaftliche Umsetzungund Perspektiven
98
7 Anwendungen der Nanotechnologie
100
7.1 Elektronik und Informationstechnik
100
7.2 Chemie und Werkstoffentwicklung
104
7.3 Medizin und Pharmazie
112
7.4 Feinmechanik und Optik
115
7.5 Automobilindustrie
119
7.6 Energie- und Umwelttechnik
121
8 Märkte und sozioökonomische Folgen
126
8.1 Marktpotenzial
126
8.2 Sozioökonomische Folgen
128
9 Visionen, Gefahrenpotenzial und ethische Aspekte
130
9.1 Visionen
130
9.2 Gefahrenpotenzial
133
9.3 Ethische Aspekte
134
Literaturliste
144
Anhänge
152
A. Firmen im deutschsprachigen Raum
152
B. Studien- und Weiterbildungsinformationen
156
Index
162
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