Zehn bis minus neun: beliebt bei der Nanotechnologie

Zehn bis minus neun: beliebt bei der Nanotechnologie

"Popular Mechanics" №4, 2009

Kürzlich ist es in Russland schwierig, eine Publikation zu finden, die das Wort "Nanotechnologie" mit oder ohne es nicht erwähnt. Die wahre Bedeutung dieses Begriffs ist jedoch für niemanden klar. In diesem Projekt, das unter Beteiligung von Spezialisten von RUSNANO vorbereitet wird, versuchen wir Ihnen zu sagen, was dieses Wort eigentlich bedeutet.

Was ist "Nano"?

Das Präfix "Nano" (auf Griechisch – "Zwerg") bedeutet "ein Milliardstel". Das heißt, ein Nanometer (1 nm) ist ein Milliardstel Meter (10-9 m). Stellen Sie sich einen Globus und eine Penny-Münze vor – ein Meter und ein Nanometer entsprechen in etwa so.

Millimeter (in Tausendstel eines Meters) markieren die Schullinie, Mikrometer (sie sind Mikrometer, Millionstel Meter) – die Größe dessen, was in einem guten Mikroskop gesehen wird (Zellen, Mikroben und ihre Organe). Hunderte von Nanometern messen die Größe von Viren, Dutzende – große Proteinmoleküle, in jüngster Zeit – Transistoren in Computerprozessoren. Einfache Moleküle werden in Einheiten von Nanometern gemessen, Atome in Zehntel.

Nanoskala

Im Nanobereich ist es üblich zu messen, was im Bereich von Atomen bis zu Viren (0,1-100 nm) groß ist.Warum verursacht der Bereich der Nanoskala ein erhöhtes Interesse von Wissenschaftlern und Technologen? Tatsache ist, dass Forscher kürzlich gelernt haben, mit Objekten dieser Größe zu operieren. Aber auf dieser Ebene werden viele Prozesse von grundlegender Bedeutung beobachtet – von chemischen Reaktionen bis zu Quanteneffekten. Die Kenntnis dieser Prozesse ermöglicht es Ihnen, nanoskalige Strukturen zu erzeugen, die Materialien und Geräten nützliche und manchmal außergewöhnliche Eigenschaften verleihen.

Wissenschaft und Technologie

Wie Nanostrukturen entstehen, nennt man Nanotechnologien. Im Allgemeinen ist die Nanotechnologie kein eigenständiger Wissenschaftszweig. Vielmehr handelt es sich um einen Komplex angewandter Technologien, deren Grundlagen in Disziplinen wie Kolloidchemie, Oberflächenphysik, Quantenmechanik, Molekularbiologie usw. studiert werden.

Fühle die Nanowelt

Die Auflösung eines gewöhnlichen optischen Mikroskops (etwa die Hälfte der Wellenlänge des Lichts) reicht für nanoskalige Objekte nicht aus. Um die Nanowelt zu sehen, musste ich andere Methoden entwickeln.

Die Beugungsgrenze für sichtbares Licht ermöglicht eine ungefähr 1000-fache Vergrößerung – das entspricht einer Auflösung in der Größenordnung von einigen hundert Nanometern.Objekte in den Zehnerpotenzen und noch mehr in Nanometereinheiten in einem solchen Mikroskop können nicht unterschieden werden. Daher war der erste Schritt in Richtung Nanowelt ein Elektronenmikroskop.

Elektronenmikroskop (EM)

Es ähnelt prinzipiell einem gewöhnlichen Mikroskop, aber anstelle von Licht arbeiten hier Elektronen, die von magnetischen Linsen fokussiert werden. Der Elektronenstrahl, der durch eine dünne Probe hindurchtritt, wechselwirkt mit diesem und fällt dann auf einen Leuchtschirm, der das Bild für das menschliche Auge sichtbar macht. In Aufnahmen mit einem Transmissionselektronenmikroskop, mit dem man millionenfach eine Vergrößerung erreichen kann, sind bereits atomare Schichten und Stufen sichtbar. Atome haben dort die Form von Punkten, und um die Oberfläche im Detail zu untersuchen, brauchen wir fortgeschrittenere Werkzeuge, die andere Prinzipien verwenden.

Elektronenmikroskop
Bis in die 1980er Jahre hinein war ein in den 1930er Jahren entwickeltes Elektronenmikroskop der einzige Weg, um in die Nanowelt zu blicken. EM scannen (auf der rechten Seite) ermöglicht es, Daten nicht nur über die Probenoberfläche, sondern auch über ihre chemische Zusammensetzung zu erhalten. Bild: Beliebte Mechanik

Wie funktioniert das Elektronenmikroskop?

Die Arbeit von EM basiert auf der Tatsache, dass Elektronen, wie Photonen, sowohl korpuskular (intrinsisch zu Teilchen) als auch Welleneigenschaften gleichzeitig zeigen. Übertaktet zu hohen Energien, können sie eine De-Broglie-Wellenlänge im Hundertstel Nanometer haben (15 keV entspricht 0,01 nm). Und obwohl Elektronenlinsen den optischen Fokussiereigenschaften deutlich unterlegen sind, kann die Vergrößerung eines Elektronenmikroskops millionenfach erreicht werden und die Auflösung beträgt einige Zehntel Nanometer.

Rasterelektronenmikroskop

Wenn die Probe nicht durchscheinend ist, aber die Abtastung ihrer Oberfläche durch einen auf einen sehr kleinen Fleck (einige Nanometer) fokussierten Elektronenstrahl fokussiert wird, werden diese nicht nur auf die Probenatome gestreut, sondern erzeugen auch Sekundärelektronen, Röntgenstrahlung und sichtbare Strahlung. Die Registrierung dieser Daten basiert auf dem Betrieb des Rasterelektronenmikroskops. Im Gegensatz zu transluzenten EM können damit "dicke" Proben untersucht werden. Durch die Registrierung von Streuwinkeln, Strahlungsintensität und Energie von Sekundärelektronen kann nicht nur das Oberflächenrelief, sondern auch die chemische Zusammensetzung der Probe sowie die Struktur der Probe in der Oberflächenschicht (zehn und hundert Nanometer) untersucht werden.Die Auflösung eines Rasterelektronenmikroskops ist gewöhnlich etwas geringer als die eines Transmissionselektrons und reicht von Einheiten bis zu einigen zehn Nanometern.

Rastertunnelmikroskop

Betrachten einzelne Atome ermöglicht ein Gerät mit einem Quanten-Tunneleffekt – ein Rastertunnelmikroskop (STM). Genauer gesagt, das Rastertunnelmikroskop untersucht nicht, sondern "tastet" die zu untersuchende Oberfläche ab. Nicht wörtlich, natürlich: Eine sehr dünne Nadelsonde mit einer Atomdicke von einer Atomdicke bewegt sich in einem Abstand von etwa einem Nanometer über die Oberfläche eines Objekts. In diesem Fall überwinden die Elektronen nach den Gesetzen der Quantenmechanik die Vakuumbarriere zwischen dem Objekt und der Nadel – sie tunneln und ein Strom beginnt zwischen der Sonde und der Probe zu fließen. Die Größe dieses Stroms ist sehr stark abhängig von der Entfernung zwischen dem Ende der Nadel und der Oberfläche der Probe – wenn sich die Lücke um Zehntel Nanometer ändert, kann der Strom um eine Größenordnung zunehmen oder abnehmen. Wenn Sie also die Sonde mit Hilfe von piezoelektrischen Elementen entlang der Oberfläche bewegen und die Stromänderung verfolgen, können Sie ihre Entlastung fast zur Hand nehmen.

Rastertunnelmikroskop. Bild: Beliebte Mechanik

Die Schaffung von STM war ein bedeutender Schritt in der Entwicklung der Nanowelt. 1986 erhielten Gerda Binnig und Heinrich Rohrer vom IBM Forschungszentrum in Zürich den Nobelpreis für diese Leistung.

Mit STM können Sie die Details der Oberfläche mit einer Auflösung von Hundertstel oder gar Tausendstel Nanometer anzeigen (was einem Anstieg von etwa 100 Millionen entspricht). Wie bereits erwähnt, ist dies kein Foto. Dies ist nur eine grafische Darstellung, wie sich die Lücke zwischen der Sonde und der Oberfläche ändert, um einen konstanten Stromwert beizubehalten. Die Wechselwirkung der STM-Sonde mit den Elektronenschalen von Atomen ermöglicht es, die kleinsten heute verfügbaren Details zu untersuchen.

Magnetresonanz-Power-Tomographie

Die Magnetresonanztomographie (MRT) hat die moderne Medizin buchstäblich revolutioniert. Zum ersten Mal wurde es möglich, biologische Prozesse in Echtzeit zu beobachten, ohne ihren natürlichen Verlauf zu stören. Die höchste Auflösung moderner Tomographen wird jedoch in Bruchteilen von Millimetern gemessen, und beim Übergang zu einem kleineren Maßstab treten Probleme auf.Spezielle MR-Mikroskope haben eine Auflösung in der Größenordnung von Mikrometern – das ist alles, was mit herkömmlichen Magnetresonanztomografen erreicht werden kann. Eine höhere Genauigkeit wird durch das Rauschen in dem von den Spulen empfangenen Signal behindert.

Wie man Live-Viren sieht
Die Probe befindet sich an der Spitze des Cantilevers, unter der sich ein Permanentmagnet befindet, der ein Gradientenmagnetfeld erzeugt. Ein Radiofrequenzmagnetfeld wird um den Draht herum erzeugt, wobei die Wechselwirkung der Spins mit dem Feld durch die Amplitude der Auslegerablenkung bestimmt wird. Bild: Beliebte Mechanik

Aber Wissenschaftler haben einen Weg gefunden, diese Einschränkung zu umgehen: In kürzlich erschienenen Magnetresonanz-Leistungsmikroskopen wird eine direkte Messung der Wechselwirkungskraft eines Gradientenmagnetfeldes mit den Spins von Wasserstoffkernen in einer Probe an der Spitze eines Cantilevers verwendet. Die Auslenkung des Cantilevers wird mit einem Laserinterferometer gemessen. Mit dieser Technik wurde 2007 im IBM Almaden Research Center in San José (auf einem Schnitt einer anorganischen Probe) eine Auflösung von etwa 0,1 Mikrometer erreicht. In jüngster Zeit bauten und demonstrierten die Forscher am gleichen Ort die Fähigkeiten eines dreidimensionalen MR-Scans an einer Probe von Tabakmosaikviren (18 nm Durchmesser und bis zu 300 nm Länge).Durch die Kombination von Kraftmikroskopie mit dreidimensionaler mechanischer Abtastung und einem speziellen Algorithmus zur Verarbeitung der gewonnenen Daten konnten die Wissenschaftler beim Scannen einer biologischen Probe eine räumliche Auflösung von etwa 4 nm erreichen.

Rasterkraftmikroskop

Das STM hat eine wichtige Einschränkung: Es können nur Metalle oder Halbleiter untersucht werden (man erinnere sich, dass der Effekt auf dem Tunnelstrom beruht). Dielektrika im STM "in Betracht ziehen" werden nicht funktionieren. Für ihre Studie von den Entwicklern von STM wurde eine andere Methode vorgeschlagen, Rasterkraftmikroskopie genannt. Das Prinzip seiner Funktionsweise ist, dass bei geringen Abständen zwischen der Sonde und der Probe eine Kraft wirkt, deren Größe und Richtung von der Lücke abhängt. Diese Kraft wird gemessen, indem die Sondennadel an einer elastischen Auslegeraufhängung (Cantilever) fixiert und deren Auslenkung bestimmt wird. Mit der Rasterkraftmikroskopie können Sie jede Oberfläche untersuchen – unabhängig davon, ob es sich um Leiter oder Dielektrika handelt.

Rasterkraftmikroskop
Das atomare Kraftmikroskop fühlt die Probe buchstäblich und registriert die Wechselwirkung zwischen Sonde und Oberfläche.Bild: Beliebte Mechanik

Einer der wichtigen Vorteile eines Rasterkraftmikroskops (AFM) ist die Möglichkeit seiner Verwendung bei der Untersuchung biologischer Proben: Es erfordert kein Vakuum oder dünne Schichten (im Gegensatz zu einem Elektronenmikroskop). AFM ermöglicht es auch, nicht nur die Oberflächentopographie, sondern auch die Wechselwirkung zwischen spezifischen molekularen Objekten zu untersuchen – es genügt, eines der untersuchten Moleküle an der Spitze der Sonde zu "reparieren". Allerdings ist das AFM dem STM bei der Auflösung (in der Größenordnung von einigen Nanometern) aufgrund des starken thermischen Rauschens, das die Messungen beeinflusst, weit unterlegen.

Siehe Nanometer

AFM und STM sind Sonderfälle der sogenannten Rastersondenmikroskopie, ein sehr leistungsfähiges Forschungswerkzeug, mit dem Sie verschiedene Eigenschaften von Oberflächen untersuchen können, und nicht nur Reliefs. Alles wird durch was bestimmtungefähr Verwenden Sie als Sonde. Zum Beispiel kann man mit einer leitfähigen Nadel die lokalen dielektrischen Eigenschaften einer Oberfläche mit Nanometergenauigkeit untersuchen – das ist die elektrische Kraftmikroskopie (EFM). Mit einer ferromagnetischen Sonde kann man die Verteilung des Magnetfeldes auf einer Nanometerskala untersuchen (MSM, Magnetkraftmikroskopie).

Eine der interessantesten und exotischsten Varianten der Sondenmikroskopie ist die von Dieter Pohl vom IBM Research Center in Zürich entwickelte optische Nahfeldmikroskopie (BOM). In diesem Fall wird eine Membran mit einem Durchmesser von mehreren Nanometern als Sonde verwendet. Licht mit einer Wellenlänge von Hunderten von Nanometern kann durch ein solches Subwellenlängen-Diaphragma nach den Gesetzen der Quantenmechanik, aber für eine kurze Entfernung, vergleichbar mit dem Durchmesser des Loches (dies ist das sogenannte Nahfeld), durchdringen. Wenn Sie dort eine Probe platzieren, kann das von ihr reflektierte Licht registriert werden. Gleichzeitig wird ein reelles Bild der Oberfläche im sichtbaren Licht erhalten, abhängig von seinen lokalen optischen Eigenschaften und mit Nanometerauflösung!

Nanotechnologie um uns herum

Wie Herr Jourdain von Molieres "Der Kaufmann im Adel", der nicht wusste, was er in der Prosa gesagt hatte, wussten viele nicht, dass einige der üblichen Dinge um uns herum bereits Errungenschaften der Nanotechnologie sind.

Wenn Sie denken, dass Nanotechnologie eine ferne Zukunft oder Science-Fiction im Allgemeinen ist, dann irren Sie sich.Die Natur "erfand" die Nanotechnologie (und viele andere Dinge) lange vor einem Mann, der erst in den letzten Jahrzehnten den gleichen Weg eingeschlagen hat und versucht hat, einige ihrer Erfindungen zu wiederholen. Die bisherigen Erfolge sind recht bescheiden, aber die Wissenschaftler haben bereits einige Erfolge auf dem Gebiet der Nanotechnologie erzielt. Hier sind nur ein paar Beispiele.

Auf jedem Tisch

Das vielleicht berühmteste Beispiel für erfolgreich arbeitende und Massen-Nanotechnologien sind elektronische Komponenten. Vor ein paar Jahren wurde dieser Bereich Mikroelektronik genannt, aber jetzt kann man ihn mit Recht Nanoelektronik nennen: 2003 das Unternehmen Intel wechselte in die 90-Nanometer-Prozessor-Technologie, die vollständig unter die Definition der Nanotechnologie (weniger als 100 nm) fällt. Ja, und der Fortschritt in diesem Bereich ist sehr schnell – derzeit sind Intel-Prozessoren bereits auf 45-Nanometer-Technologie veröffentlicht. Und das ist eine Massen- und Serienproduktion, die in fast jedem modernen Computer steht. Ein solcher Prozessor besteht aus vielen hundert Millionen von Transistoren, von denen jeder Abmessungen von nur einigen zehn Nanometern hat.Im Vergleich zur Vorgängergeneration (65-Nanometer-Technologie) hat sich die Taktfrequenz erhöht (ca. 3 GHz), die Anzahl der Transistoren hat zugenommen (fast doppelt) und die Wärmefreisetzung ist deutlich zurückgegangen. In den nächsten Jahren wird das Unternehmen Intel plant, auf 32-Nanometer- und dann auf 22-Nanometer-Fertigungstechnologie von Prozessoren umzustellen.

Nützlicher Staub

Eine der beliebtesten Arten von Nanoprodukten sind ultrafeine Pulver. Das Zermahlen von Substanzen zu Nanopartikeln mit Abmessungen von mehreren zehn oder hundert Nanometern gibt ihnen oft neue nützliche Eigenschaften. Tatsache ist, dass solch ein Nanopartikel nur aus ein paar tausend oder Millionen Atomen besteht, so dass sie sich alle nahe an der Oberfläche, an der Grenze zur Außenwelt befinden und stark mit ihr interagieren. Die gesamte Oberfläche der Teilchen in einem solchen Nanopulver wird riesig.

Zum Beispiel wird Silber in Form von Nanopartikeln für Bakterien extrem zerstörerisch – diese Eigenschaft wird erfolgreich in modernen Wundheilungsverbänden sowie in antimikrobiellen Geweben verwendet. Der Einsatz von Nanopulver bei der Zugabe zu Asphalt-Rohstoffen macht die Straßenoberfläche extrem verschleißfest.In den letzten Jahren wurden Ton-Nanopulver aktiv in Isolierbeschichtungen von Starkstromkabeln eingesetzt – diese Isolierung brennt sehr schlecht und ist sehr gut für die Sicherheit von Gebäuden. Titandioxid-Nanopartikel (Basen aller bekannten Titanweiß) sind sehr wirksame Photokatalysatoren und werden als aktives Element in Filtern von Haushalts-Luftreinigern verwendet. Und Platin-Nanopartikel werden in katalytischen Nachbrennern moderner Autos eingesetzt, um die Emission schädlicher Substanzen in die Atmosphäre zu reduzieren.

Nano-Drogen

Leider ist der medizinische Nanoroboter (Nanobot), dessen Beschreibung in der populären Literatur so populär ist, fantastisch. Dies beeinträchtigt jedoch nicht den Erfolg der Nanotechnologie in der modernen Medizin. Ein Hauptarbeitsgebiet sind Nanokapseln zur gezielten Wirkstofffreisetzung. Mit dieser Methode können Sie nur an den betroffenen Zellen arbeiten, ohne gesunde zu beschädigen. Diese Idee wurde schon zu Beginn des 20. Jahrhunderts vom deutschen Arzt Paul Ehrlich formuliert und von ihm als "Wunderwaffe" bezeichnet – aber nur Nanotechnologien (zum Beispiel das Einbringen des Wirkstoffs in eine Liposomenkapsel) machten es möglich.Derartige Präparate (liposomal) zur Behandlung bestimmter Formen von Krebs und Pilzinfektionen, Hepatoprotektoren und sogar Influenza-Impfstoffen sind seit Mitte der 1990er Jahre kommerziell erhältlich.


Like this post? Please share to your friends:
Schreibe einen Kommentar

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: