Was sind Nanowissenschaften ? Univ. Prof. Dr. Heinz KRENN Institut für Physik Bereich Experimentalphysik _____________________________________________________________ Sommeruniversität Vita Activa 2006, Universität Graz, Zentrum für Weiterbildung Ein Vergleich …. Unsere vertraute Umwelt und die Nano-Welt 25 cm 2 nm 1 Nanometer = 1 Milliontel mm 12.760 km 10 cm Ein Vergleich …. Nanokräfte 1 Nano-Newton (nN) = 1 Milliardstel des Gewichts von Von der Makro- zur Nanowelt …. 10 mm = 10-2 m Ausschnitt aus Haut am Handrücken 10 µm = 10-5 m Weisses Blutkörperchen Moderne Mikro- & Nanotechnologie: 10 nm = 10-8 m DNa-Doppelhelix 0.4 µm 4 nm Woher kommt der Name „Nano“? Vom Lateinischen … Nanus Vom Griechischen … Ναννος der Zwerg … Wie ist Nanotechnologie definiert ? „Nanotechnologie basiert auf den fortschreitenden Anwendungen der Nanowissenschaften. Die Nanowissenschaften befassen sich mit funktionalen Systemen, die auf der Nutzung von Bausteinen mit spezifischen, größenabhängigen Eigenschaften der individuellen Bausteine oder eines Systems aus diesen basieren“. Produkte, die mindestens eine funktionelle Komponente mit einer Kontrollierten geometrischen Abmessung unterhalb von 100 nm in mindestens einer Richtungsdimension besitzen, wodurch physikalische / chemische oder biologische Effekte nutzbar werden, die oberhalb dieser kritischen Abmessung nicht auftreten. Analytisches und/oder verfahrenstechnisches Experiment, das für kontrollierte Herstellung, Positionierung oder Vermessung von den oben genannten funktionellen Komponenten erforderlich ist. „Natürliche“ Nanotechnologie 1 Hierarchische Struktur von Fichtenholz Mottenaugen-Effekt Mit Oberflächenstrukturen, die kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind, lassen sich z. B. Autoarmaturen entspiegeln. Vorgemacht hat es die Natur mit dem Mottenauge „Natürliche“ Nanotechnologie 2 1 µm Auch Klebstoff auf Wasserbasis bleibt nicht haften, sondern läuft vom Blatt. Die Heilige Lotusblume gilt in den asiatischen Religionen als Symbol der Reinheit: Makellos sauber entfalten sich die Blätter aus dem Schlamm der Gewässer. Sie wehrt sich sich gegen den allgegenwärtigen Schmutz,aber auch gegen Mikroorganismen. Durch die Übertragung dieser Eigenschaft auf technische Oberflächen können fast alle im Freiland befindlichen Materialien durch Regen gereinigt werden. Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme der Blattoberfläche: Eine auf Selbstreinigung optimierte doppelt strukturierte biologische Oberfläche: Durch die Kombination von Mikro- (Zellen) und Nanostruktur (Wachskristalle) werden Kontaktflächen minimiert. Selbsreinigende Fassadenbeschichtung „Natürliche“ Nanotechnologie 3 Geckos sind wahre Kletterkünstler. Sie kommen jede Wand hoch, können an einem Zeh hängend von der Decke baumeln und meistern auch Glasflächen sicheren Fußes. Ihre Füße besitzen eine erstaunliche Haftkraft, nur an ihnen selbst bleibt nichts hängen: Geckofüße sind immer sauber; es klebt kein Schmutz an ihnen – egal wie fein er ist. - - + + + + + + + + + + + - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + -+ + + + + + + + + + + + - ++- - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + - Künstlicher Gecko-Effekt: Münze Beschichtung: Polypropylen-Fasern, 600 nm Durchmesser Glasplatte „Natürliche“ Nanotechnologie 4 80 µm Schmetterling Morpho rhetenor Lichtmikroskopische Aufnahme einiger Schuppen 1300 „Christbäume“ / mm (Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme) „Natürliche“ Nanotechnologie 5 Photonische Kristalle Porendurchmesser 870 nm, = 1/100 des Haardurchmessers Unterschiedliche Farben je nach Blickrichtung Magnetotaktische Bakterien Magnetobacterium Bavaricum Mit freundlicher Genehmigung durch Prof. N. PETERSEN, LMU München Länge: ≈ 5 µm Aquaspirillum Magnetotacticum [Nach R.P. Blakemore und R. B. Frankel, Spektrum der Wissenschaft, Feb. 1982, p. 38.] H Orientierung von Zugvögeln im Erdmagnetfeld S Inklinationswinkel S Inklinationswinkel N N Inklinationskompaß von Zugvögeln Tomogramm eines Tauben-Oberschnabels 19 µm 200 nm 1 µm 200 µm Magnetiteinlagerungen 50 µm Magnetoelastischer Nerven-Sensor Ohne Magnetfeld Mit Magnetfeld Ferritin-Protein im menschlichen Gewebe Fe3O4 Tc = 853 K Zerstörung von Krebsgewebe durch Magnetfluid-Hyperthermie Krebszelle 40°C - 46°C („Hyperthermie“) 56°C („Thermo-Ablation“) Nanopartikel Magnetit mit Aminosilan-Hülle Magnetfeld: 10 kA/m [nach A. Jordan et al., J. Magn. & Mag. Mat. 201, 413 (1999)] Frequenz: 50 - 100 kHz Kohlenstoff-Nanotechnologie Modifikationen von Kohlenstoff Diamant hart, elektrischer ? C60 Bucky Ball Isolator Graphit weich, guter elektrischer Leiter Nanotube C60 - Riesenmolekül 0,7 nm Carbon-Nano-Röhren (0,0) a1 a2 Ch = (10,0) y x Aufrollung längs (10,10) Achsen (0,0) a1 a2 y x Ch = (10,10) Carbon-Nanofaser als ultradünner Leiter mit Durchmesser 4 nm 100-fach höhere Leitfähigkeit als Kupfer 40-fach höhere Steifigkeit als Stahl Aufbau eines Wasserstoffsensors aus einer Nanoröhre, die mit Nanopartikeln Aus Palladium dekoriert ist (links). Bei Kontakt mit Wasserstoff ändert sich der Elektrische widerstand (rechts). Chemisch sensitive Rasterkraftmikroskopie Si-Tip Chemische Nano-Imprint-Technologie 2 µm Nanoröhre Tragseile aus Carbon-Nanotubes „Weltraum-Lift“ Speichertechnologie Halbleiter-Flash-Speicher 34 Gigabit / inch2 Giga = 9 10 Magnetische Hard-Disk <200 Gigabit / inch2 Nano-Imprint 1,2 Terabit / inch2 Tera = 12 10 Magnetische Speicherung Die Entwicklung der Speicherdichte in Hard-Disk-Drives von 1984 - 2000 x 2,5 von 1984 - 1990 x 170 von 1990 - 2000 Areal Density (Megabits/inch2) The Increase of Magnetic Data Storage – an Incredible Story … Costs – Paper vs. Magnetic Recording 60 nm 2003 GMR-Spin-Valve-Lesekopf 400 Giga-Bytes Movies - Digitales Video Magnetoresistiver Lesekopf H MRAM - Datenspeicher Vorteile des MRAM Nichtflüchtig bei Stromausfall (kein „Auffrischen“) Hohe Speicherdichte Schnelle Zugriffszeit Keine beweglichen Teile (rotierende Disk) Nano-Imprint-Speichertechnologie Millipede™-Konzept von IBM für die Nano-Imprint Speichertechnologie Ω Write Sense Polymer-Beschichtung auf Silizium Sense Write 75 µm Tip 250 nm Cantilever and Tip In der Polymerschicht eingeprägte Speicherinformation 25 nm Nanotechnologie in Deutschland SME: (388 entries) Major enterprises: (98 entries) University Institutes: (105 entries) Research Centers: (69 entries) Networks: (29 entries) www.nanoreisen.de/deutsch/flash.html IBM- Millipede-Projekt http://www.zurich.ibm.com/imagegallery/millipede/index.html# Nanotechnology Reports The Nanotechnology Opportunity Report™ by CMP Cientifica (http://www.cientifica.com/html/NOR/NOR.htm) Forbes/Wolfe Nanotech Report (http://www.newsletters.forbes.com/nanotech/) First Stage Capital Nanotechnology Report (http://www.firststagecapital.com/pdf/FSCNanotechnologyReport.pdf) US National Nanotechnology Initiative (http://www.nano.gov) NanoTechnology Magazine (http://www.nanozine.com) The Institute of Nanaotechnolgy (http://www.nano.org.uk) Nanotechnology News now (http://nanotech-now.com) Center for Nanotechnology (http://www.nano.washington.edu) Nano Science, Engineering, and Technology (http://www.pnl.gov/nano/grand/index.html)