Einführung in die Nanotechnologie

Die Nanotechnologie und ihre verschiedensten Disziplinen werden weltweit zunehmend als die Zukunftstechnologie eingestuft. Sie ist als Schlüssel- und Querschnittstechnologie von hoher Bedeutung für den Wirtschaftsstandort Deutschland. Für eine Vielzahl wichtiger Industriebranchen in Deutschland wie Automobilbau, Chemie, Pharma, Informationstechnik oder Optik wird die künftige Wettbewerbsfähigkeit ihrer Produkte wesentlich auch von der Erschließung des Nanokosmos abhängen. Die Nanotechnologie eröffnet neue Marktchancen durch die Realisierung kleinerer, schnellerer, leistungsfähigerer und „intelligenterer“ Systemkomponenten für neue Produkte mit deutlich verbesserten und zum Teil gänzlich neuartigen Funktionalitäten. Obwohl bereits viele Produkte mit nanotechnologischen Komponenten auf dem Markt etabliert sind, wird ein Großteil der nanotechnologischen Erkenntnisse erst in einigen Jahren, teilweise sogar erst in Jahrzehnten in Produkte umgesetzt werden können

Mit Entdeckung der Zugriffsmöglichkeiten auf die einzelnen Bausteine der Materie sowie dem damit zunehmenden Verständnis der Selbstorganisation dieser Bausteine hat weltweit die industrielle Eroberung nanoskaliger Dimensionen eingesetzt.

Rein geometrisch bezeichnet die Vorsilbe „Nano“ (griech: Zwerg) einen Größenbereich, der 1000fach kleiner als derjenige derzeitiger Bauelemente des Mikrometerbereiches ist (1nm entspricht dem millionsten Teil eines mm). Dieser Bereich wird sowohl durch Einsatz neuer physikalischer Instrumente und Verfahren auf dem Wege einer weiteren Verkleinerung derzeitiger Mikrosysteme erreicht, als auch durch die Nutzung von Bauplänen der belebten und unbelebten Natur zum selbstorganisierenden Aufbau von Materie. Erst wenn es gelingt, diese atomare und molekulare Dimension sicher zu beherrschen, entstehen die Voraussetzungen für die langfristig belastbare Optimierung von Produkteigenschaften im Bereich Energietechnik (Brennstoffzellen, Batterien, Solarzellen, Gasspeicher, etc. ), Umwelttechnik (Materialkreisläufe, Entsorgung, Reinigung, etc. ) sowie der Informationstechnik (hochdichte Speicher, leistungsfähige Prozessoren, etc. ), aber auch der Gesundheit und des Alterns. Neben den Innovationsoptionen geht es auch darum, Arbeitsplätze in Deutschland zu schaffen und bestehende im globalen Wettbewerb zu sichern. In der Nanotechnologie geht es primär um die Nutzung neuer Funktionen, die einerseits auf der geometrischen Größe und andererseits auf den materialspezifischen Eigenheiten von Nanostrukturen basieren. Daher werden die Eigenschaften von Nanosystemen von den technologischen Möglichkeiten her diskutiert und nicht von z.B. speziellen Zielen der Informationstechnik und Biowissenschaften.

Bei der Eroberung dieser Nanometer-Dimension hat das inzwischen erreichte Innovationstempo dazu geführt, daß noch die physikalischen Grundlagen weiter erforscht werden, während schon erste Produktgruppen die Weltmärkte betreten, deren Verkaufserfolge ihre Ursachen in der Realisation nanoskaliger Architektur mit neuen makroskopischen Funktionen haben.
Zur Generierung von Nanosystemen wurden bisher zwei Wege der Forschung und Entwicklung eingeschlagen und innerhalb der jeweiligen Disziplin verfolgt:

Einerseits versuchte man die in der belebten Natur ablaufenden Vorgänge zu verstehen und die gewonnenen Erkenntnisse für technische Fragestellungen zu nutzen. Das dabei wachsende Verständnis von sich selbst organisierenden Strukturen und Funktionseinheiten wurde speziell im Bereich der lebenswissenschaftlichen Forschung und bei der Entwicklung neuer Materialien angewendet.

Andererseits wurde in der unbelebten Welt durch stetig kleiner hergestellte Strukturen und Grundelemente neuer Materialien der Weg in die Nanometerdimension eingeschlagen. Dadurch gewonnene Erkenntnisse lieferten i.w. Beiträge zur Elektronik, Optoelektronik und Sensorik.
Die industrielle Chance liegt in einer Verküpfung dieser zum einen mehr künstlich und zum anderen mehr evolutionär getriebenen Techniken, um sowohl einen hohen Durchsatz als auch eine ausreichende Reproduzierbarkeit zu sichern. Das bedeutendste Potential für Innovationen aus der Nanowelt wird von Experten deshalb in der Kombination dieser beiden Entwicklungswege gesehen. Daher ist jetzt ein neuer innovationsorientierter Ansatz notwendig, der dem interdisziplinären Charakter dieses Technologiefeldes entspricht. Da Technologien zur Aufklärung und gezielten Beeinflussung von Bauplänen der belebten und unbelebten Materie inzwischen als prinzipiell realisierbar erkannt sind, geht die Einschätzung international anerkannter Experten sogar soweit, daß zukünftigen innovativen Produkten schon jetzt eine mindestens ähnlich bedeutende Entwicklung zugewiesen wird, wie sie die Informationstechnik nach der Erfindung des Transistors und der Herstellung integrierter Schaltkreise durchgemacht hat. Teilweise wird der Nanotechnologie sogar eine epochale Bedeutung zugesprochen, da eine interdisziplinäre und branchenübergreifende Vorgehensweise nicht nur für die kontinuierliche Entwicklung der Mikroelektronik sondern auch für weitere High-Tech-Bereiche marktentscheidende Beiträge liefern kann. Die absehbar erreichbaren Kriterien einer im Idealzustand atomaren und molekularen Kontrolle makroskopischer Produkteigenschaften sind dabei sowohl für Hersteller als auch für die Kunden faszinierend, ihre Beherrschung im weltweiten Wettbewerb, der schon voll entbrannt ist, erfolgsentscheidend. Man erwartet daher einen bedeutenden Einfluß auf den Güter- und Arbeitsmarkt des 21. Jahrhunderts.