Womit befasst sich Nanotechnologie?

Nanotechnologie ist ein Oberbegriff für unterschiedlichste Technologien, die als Gemeinsamkeit die Grössenordnung ihres Arbeitsgegenstands haben: Es geht um die Analyse und Bearbeitung von Materialien, deren Grösse etwa 1 bis 100 Nanometer beträgt. Nanopartikel und Nanostrukturen sind also nur aus 100 bis 100'000 Atomen oder Molekülen zusammengesetzt. Sie besitzen aufgrund ihrer Grösse physikalische und chemische Eigenschaften wie auch biologische Funktionen, die sich sehr von Gegenständen unserer Alltagswelt beziehungsweise von denen einzelner Atome oder Moleküle unterscheiden.

Die Oberfläche des Lotusblatts ist das Paradebeispiel natürlicher Nanostrukturen.

Die Oberfläche des Lotusblatts ist das Paradebeispiel natürlicher Nanostrukturen. Wassertropfen und Schmutzpartikel prallen an den winzigen Strukturen ab; das Blatt bleibt immer rein. Bild: Kathathep/Shutterstock.com

In der Nanotechnologie geht es um die Bearbeitung von Materie im atomaren Massstab. Sie macht sich zunutze, dass - je nach Gestalt und Grösse - Nanostrukturen und -teilchen besondere chemische, magnetische, optische, elektrische oder mechanische Eigenschaften haben. Ob zum Beispiel aus reinem Kohlenstoff Diamanten, Graphit, Kohlenstaub oder Nanoröhrchen entstehen, hängt allein von der räumlichen Anordnung der Kohlenstoffatome ab. Ähnliches gilt für andere Bereiche.

Die Nanotechnologie macht sich solche Eigenschaften gezielt zunutze, um neue Anwendungsmöglichkeiten zu schaffen: Oberflächen können etwa mit Nanopartikeln kratzfest, antibakteriell und schmutzabweisend (ähnlich wie beim Lotusblatt) gestaltet werden. Als Schlüsseltechnologie führt die Nanotechnologie zu Fortschritten in zahlreichen Forschungsfeldern, so unter anderem in der Medizin sowie der Energie-, der Umwelt- oder der Informationstechnik.

In der Wissenschaft wurden inzwischen sehr ausgereifte mikroskopische Methoden entwickelt, um Nanostrukturen auf der atomaren Ebene abzubilden oder Atom für Atom zu manipulieren. Dazu werden feinste Nadelspitzen eingesetzt. Aber auch mit intensiven, stark fokussierten Lichtstrahlen können Nanostrukturen vermessen und verändert werden. Lichtgestützte Verfahren werden vor allem zur Untersuchung von Quantenpunkten eingesetzt. Diese oft in regelmässiger Struktur angeordneten Nanopartikel aus Halbleitermaterial bieten ein großes Potenzial für Anwendungen in hochentwickelten, miniaturisierten Systemen der optischen Telekommunikation. Methoden der Nahfeldoptik, wie auch die konfokale Mikroskopie, werden genutzt, um einzelne Moleküle bei ihrer Arbeit in biologischen Systemen zu beobachten.

Nanostrukturen sind übrigens keine menschliche Erfindung. Die belebte Welt zeigt sich äusserst einfallsreich in der Schaffung von Nanostrukturen durch Selbstorganisation. Moleküle setzen sich dabei automatisch wie Legosteine zusammen, um Superstrukturen und letztlich Einheiten mit spezifischen biologischen Funktionen zu bilden. Beispiele dafür sind etwa Zellmembranen oder Botenmoleküle, die Informationen zwischen einzelnen Zellen transportieren. Besonders interessant sind molekulare Motoren, welche zum Beispiel die Bewegung von Bakterien ermöglichen, indem sie deren Geisseln antreiben. Hochkomplexe Enzyme kopieren als Nanomaschinen genetisches Material.

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