Big Bang HTL 4, Schulbuch

186 Thermodynamik und moderne Physik (IV. Jg., 8. Sem.) Info: Tunneleffekt Hin und wieder können aber Elektronen den Zwischenraum durchtunneln und erzeugen einen Tunnelstrom. Dieser hängt vom Abstand ab. Zur Abtastung der Oberfläche ver- schiebt man die Nadel horizontal in einem Rastermuster. Vertikal wird sie so eingestellt, dass der Tunnelstrom gleich bleibt. Dann hat sie immer denselben Abstand zur Oberflä- che. Auf diese Weise kann man die Höhe der Probe berüh- rungslos abtasten. Mit einem Computer werden die Höhen- und Seitenbewegungen der Nadel in Bilder umgewandelt (Abb. 20.12). Abb. 20.12: Schematische Darstellung der Arbeitsweise eines Raster- tunnelmikroskops: Die Nadel wird in gleichem Abstand über der Oberfläche gehalten. Die Steuerung erfolgt mit Hilfe von Piezo-Kristallen. Mit dem RTM kann man ein- zelne Atome verschieben! Dabei wird die Nadel an die gewünschte Stelle gebracht und eine im Vergleich zur Ab- bildungsrasterung hohe Spannung angelegt. Nun kann man Atome aus der Oberfläche lösen und an der neuen Position durch einen hohen Spannungsstoß wie- der ablegen. Diese beeindru- ckende Technik nennt man atomares Schreiben (Abb. 20.13). Abb. 20.13: Eisenatome auf Kupfer bilden das japanische Zeichen für „Atom“. Die Eisenatome, die einen Durchmesser von nur rund 0,25nm haben, wurden vorher mit dem RTM exakt platziert. Feynman’s Vision in Realität! Abb. 20.14: Schematische Darstellung der Arbeitsweise eines Raster- kraftmikroskops: Im Gegensatz zum Rastertunnelmikroskop kommt es hier zu einer Berührung der Probe. Rastertunnelmikroskope können nur elektrische Leiter ab- bilden. Diese Einschränkung gilt nicht für Rasterkraftmikro- skope. Diese eignen sich prinzipiell zur Untersuchung jedes festen Materials, das sich sogar in einer Flüssigkeit be- finden kann. Das ist ein großer Vorteil beim Mikroskopieren biologischer Proben. Es gibt verschiedene Methoden. Im einfachsten Fall liegt die Spitze auf der Probe, wie die Nadel eines Plattenspielers auf einer Schallplatte (Abb. 20.14). Wenn die Nadel über das Oberflächenrelief rastert, werden die winzigen Auslenkungen des Hebelarms mit Hilfe eines Laserstrahls gemessen und in dreidimensionale Bilder über- setzt. Zahlreiche Anwendungen der Nanotechnologie betreffen „Probleme“ des Alltags. Ein Beispiel dafür ist der Lotus- effekt, der selbstreinigende Oberflächen ermöglicht (Abb. 20.15). Sonnencremes werden Titanoxidpartikel in der Größe unter 100 nm zugesetzt. Diese lassen das sichtbare Licht durch, wirken auf UV-Licht aber wie kleine Spiegel, reflektieren dieses also oder streuen es. Einer der führenden Schokoriegel-Hersteller hat sich Schokolade patentieren lassen, die ironischerweise genau diese Partikel enthält. Der Effekt: Die Schokolade schmilzt unter Hitze nicht so schnell! Abb. 20.15: Wasser perlt an einem Lotus-Blatt ab und benetzt dieses nicht. Dabei spült es auch den Schmutz weg. Die gewichtigen Ziele der Nanotechnologie liegen aber si- cher weniger in Sonnencreme oder schwer schmelzender Schokolade, sondern im Vorantreiben der Miniaturisierung der Halbleitertechnik, in der Erzeugung neuartiger Werk- stoffe und in der Verbindung mit Medizin. Nanopartikel können aber auch ein Risiko darstellen, zum Beispiel können sie nach Aufnahme über die Lunge oder den Magen-Darm-Trakt die Blut-Hirnschranke überwinden. Die Wirkung auf den Zellkern ist noch wenig erforscht. Zusammenfassung Nanotechnologie ist Forschung, Entwicklung und gezielte Manipulation von Strukturen im Bereich von 1 bis 100nm. Diese Strukturen weisen neue Eigenschaften auf. Das hat mit dem Oberflächen-Volumen-Verhältnis zu tun und mit quantenmechanischen Effekten, etwa dem Tunneleffekt. Z Nur zu Prüfzwecken – Eigentum des Verlags öbv