Big Bang HTL 4, Schulbuch

Thermodynamik und moderne Physik (IV. Jg., 8. Sem.) 183 Nanotechnologie 20 Nanotechnologie ist ein Trendwort und auf Grund des Medi- enrummels existierte zumindest eine Zeitlang ein richtiger „Nano-Hype“. Im wissenschaftlichen Sinne darf man nur dann von Nanotechnologie sprechen, wenn die Strukturen auf Grund ihrer geringen Größe neue Eigenschaften auf- weisen. Nur weil etwas sehr klein ist, ist es noch keine Nano- technologie. Zum Beispiel sind Transistoren auf herkömm- lichen Chips inzwischen weit kleiner als 100 nm, aber trotzdem „konventionelle“ Technik. Die neuen Eigenschaften sind überwiegend im Verhältnis von Oberfläche zu Volumen begründet und im quantenmechanischen Verhalten der Materiebausteine. Info: Frierende Zwerge Abb. 20.3: Ein Menschenhaar hat einen Durchmesser von rund 100 μ oder 100.000 nm. Nanotechnologie spielt sich aber in einem Bereich ab, der 1000-mal kleiner ist. Frierende Zwerge Würdest du es merken, wenn alles plötzlich geschrumpft wäre ( F1 )? Ja! Das liegt am Oberflächen-Volumen-Verhält- nis. Nehmen wir einen Würfel. Wenn man seine Seitenlänge verkleinert, sinkt das Volumen wesentlich schneller als die Oberfläche und diese nimmt daher relativ gesehen zu (Tab. 20.1). Dieser Zusammenhang gilt für Objekte jeder Form. Beim Menschen hängt die Wärmeproduktion („Körperheizung“) vom Volumen ab, der Wärmeverlust von der Hautoberfläche. Du würdest als Zwerg daher unglaub- lich frieren. In der Nanotechnologie kann ein hohes Oberflä- chen-Volumen-Verhältnis genutzt werden, weil Nanopartikel wesentlich besser chemisch und physikalisch mit der Umge- bung wechselwirken. Diese Eigenschaft ist für viele Anwen- dungen höchst attraktiv, etwa für Katalysatoren oder Senso- ren auf Basis von Nanopartikeln. Seitenlänge [m] Oberfläche [m 2 ] Volumen [m 3 ] rel. Verhältnis O/V 1 6 1 6 0,1 0,06 0,001 60 10 –8 6 · 10 –16 10 –24 6 · 10 8 Tab. 20.1: Bei Verkleinerung eines Objekts sinkt das Volumen rascher als die Oberfläche. i 3ca34y Was haben Handy, Kugelschreiber und Kaffeetasse gemein- sam? Eigentlich gar nichts, außer dass sie in der Größen- ordnung von 1 dm liegen. Es wäre eigentlich verrückt, in Zusammenhang mit diesen drei Objekten von „Dezimeter- technologie“ zu sprechen. Es gibt allerdings eine ähnliche Verrücktheit, die man Nanotechnologie nennt. Darunter fasst man eine bunte Vielfalt von neuartigen Materialien, Mess- und Herstellungsverfahren zusammen, die eigentlich nur zwei Dinge gemeinsam haben: Erstens verwendet man Strukturen, die in der Größenordnung von Nanometern lie- gen, und zweitens weisen die neu geschaffenen Strukturen auf Grund ihrer geringen Größe völlig neue Eigenschaften auf. Nanotechnologie ist Forschung, Entwicklung und gezielte Manipulation von Strukturen im Bereich von 1 bis 100nm. Leider versagt unser Vorstellungsvermögen für solche Ab- messungen. Nanotechnologie spielt sich nämlich in einem Bereich ab, der zumindest 1000-mal kleiner ist als der Durchmesser eines Haares (Abb. 20.3)! Nimm an, alles um dich herum und du selbst würdest auf 1/10 der ursprünglichen Länge zusammen- schrumpfen. Würdest du überhaupt etwas davon merken? Geckos können an glasglatten Flächen klettern (Abb. 20.1). Wie ist das möglich? Abb. 20.1: Gecko an einer Glasplatte Bereits die Römer waren in der Lage, farbiges Glas zu erzeugen. Die Technik dazu ist im Wesentlichen gleich geblieben. Wie färbt man Glas? Abb. 20.2 F1 F2 F3 Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv