Sehen Sie in anderen Wörterbüchern, was „Nanotechnologie“ ist. Nanotechnologien: Wer hat sie wann erfunden? Was sind Nanoproduktionstechnologien?

Nanotechnologie ist ein Bereich der Grundlagen- und angewandten Wissenschaft und Technologie, der sich mit einer Kombination aus theoretischer Begründung, praktischen Forschungs-, Analyse- und Synthesemethoden sowie Methoden zur Herstellung und Verwendung von Produkten mit einer bestimmten Atomstruktur durch kontrollierte Manipulation einzelner befasst Atome und Moleküle.

Geschichte

Viele Quellen, vor allem englischsprachige, verbinden die erste Erwähnung von Methoden, die später als Nanotechnologie bezeichnet wurden, mit Richard Feynmans berühmter Rede „There’s Plenty of Room at the Bottom“, die er 1959 am California Institute of Technology auf der Jahrestagung hielt Treffen der American Physical Society. Richard Feynman vermutete, dass es möglich sei, einzelne Atome mit einem Manipulator entsprechender Größe mechanisch zu bewegen, zumindest würde ein solcher Vorgang nicht im Widerspruch zu den heute bekannten Gesetzen der Physik stehen.

Er schlug vor, diesen Manipulator auf folgende Weise durchzuführen. Es ist notwendig, einen Mechanismus zu entwickeln, der eine Kopie von sich selbst erstellt, nur eine Größenordnung kleiner. Der geschaffene kleinere Mechanismus muss erneut eine Kopie von sich selbst erstellen, wiederum eine Größenordnung kleiner, und so weiter, bis die Abmessungen des Mechanismus den Abmessungen in der Größenordnung eines Atoms entsprechen. In diesem Fall müssen Änderungen in der Struktur dieses Mechanismus vorgenommen werden, da die im Makrokosmos wirkenden Gravitationskräfte immer weniger Einfluss haben und die Kräfte intermolekularer Wechselwirkungen und Van-der-Waals-Kräfte zunehmend Einfluss auf die Funktionsweise haben der Mechanismus.

Die letzte Stufe besteht darin, dass der resultierende Mechanismus seine Kopie aus einzelnen Atomen zusammensetzt. Die Anzahl solcher Kopien ist grundsätzlich unbegrenzt; es wird möglich sein, in kurzer Zeit eine beliebige Anzahl solcher Maschinen zu erstellen. Diese Maschinen werden in der Lage sein, Makro-Dinge auf die gleiche Weise durch atomaren Zusammenbau zusammenzusetzen. Dies wird die Dinge viel billiger machen – solchen Robotern (Nanorobotern) muss nur die erforderliche Anzahl an Molekülen und Energie gegeben werden und sie müssen ein Programm schreiben, um die notwendigen Elemente zusammenzubauen. Bisher konnte niemand diese Möglichkeit widerlegen, aber es ist noch niemandem gelungen, solche Mechanismen zu schaffen. Während der theoretischen Untersuchung dieser Möglichkeit entstanden hypothetische Weltuntergangsszenarien, die davon ausgehen, dass Nanoroboter die gesamte Biomasse der Erde absorbieren und ihr Selbstreproduktionsprogramm (die sogenannte „graue Gänsehaut“ oder „graue Gülle“) durchführen werden.

Die ersten Annahmen über die Möglichkeit der Untersuchung von Objekten auf atomarer Ebene finden sich im 1704 erschienenen Buch „Opticks“ von Isaac Newton. In dem Buch äußert Newton die Hoffnung, dass zukünftige Mikroskope eines Tages in der Lage sein werden, die „Geheimnisse der Körperchen“ zu erforschen.

Der Begriff „Nanotechnologie“ wurde erstmals 1974 von Norio Taniguchi verwendet. Mit diesem Begriff bezeichnete er die Herstellung von Produkten mit einer Größe von mehreren Nanometern. In den 1980er Jahren wurde der Begriff von Eric K. Drexler in seinen Büchern „Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology“ und „Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing, and Computation“ verwendet.

Was kann Nanotechnologie leisten?

Hier nur einige Bereiche, in denen die Nanotechnologie Durchbrüche verspricht:

Medizin

Nanosensoren werden Fortschritte bei der Früherkennung von Krankheiten bringen. Dadurch erhöhen sich Ihre Heilungschancen. Wir können Krebs und andere Krankheiten besiegen. Alte Krebsmedikamente zerstörten nicht nur erkrankte, sondern auch gesunde Zellen. Mit Hilfe der Nanotechnologie wird das Medikament direkt in die erkrankte Zelle transportiert.

DNA-Nanotechnologie– Verwenden Sie bestimmte Basen von DNA- und Nukleinsäuremolekülen, um auf ihrer Grundlage klar definierte Strukturen zu erzeugen. Industrielle Synthese von Arzneimittelmolekülen und pharmakologischen Präparaten einer klar definierten Form (Bispeptide).

Zu Beginn des Jahres 2000 wurde dank des raschen Fortschritts in der Technologie zur Herstellung von Nanopartikeln ein Anstoß für die Entwicklung eines neuen Bereichs der Nanotechnologie gegeben – Nanoplasmonik. Es stellte sich heraus, dass es möglich war, elektromagnetische Strahlung entlang einer Kette von Metallnanopartikeln durch die Anregung von Plasmonenschwingungen zu übertragen.

Konstruktion

Nanosensoren von Gebäudestrukturen werden deren Stärke überwachen und etwaige Bedrohungen ihrer Integrität erkennen. Mit Nanotechnologie hergestellte Objekte können fünfmal länger halten als moderne Strukturen. Häuser passen sich den Bedürfnissen der Bewohner an und halten sie im Sommer kühl und im Winter warm.

Energie

Wir werden weniger abhängig von Öl und Gas sein. Moderne Solarmodule haben einen Wirkungsgrad von etwa 20 %. Durch den Einsatz von Nanotechnologie kann es um das Zwei- bis Dreifache wachsen. Dünne Nanofilme auf Dach und Wänden können das gesamte Haus mit Energie versorgen (vorausgesetzt natürlich, es gibt genügend Sonne).

Maschinenbau

Alle sperrigen Geräte werden durch Roboter ersetzt – einfach zu steuernde Geräte. Sie werden in der Lage sein, beliebige Mechanismen auf der Ebene von Atomen und Molekülen zu schaffen. Für die Herstellung von Maschinen werden neue Nanomaterialien eingesetzt, die Reibung reduzieren, Teile vor Beschädigungen schützen und Energie sparen können. Dies sind nicht alle Bereiche, in denen Nanotechnologie eingesetzt werden kann (und wird!). Wissenschaftler glauben, dass das Aufkommen der Nanotechnologie der Beginn einer neuen wissenschaftlichen und technischen Revolution ist, die die Welt im 21. Jahrhundert stark verändern wird. Es ist jedoch anzumerken, dass die Nanotechnologie nicht sehr schnell in die Praxis gelangt. Nicht viele Geräte (hauptsächlich Elektronikgeräte) funktionieren „Nano“. Dies ist teilweise auf den hohen Preis der Nanotechnologie und die nicht sehr hohe Rendite von Nanotechnologieprodukten zurückzuführen.

Wahrscheinlich werden in naher Zukunft mithilfe der Nanotechnologie hochtechnologische, mobile und leicht steuerbare Geräte entstehen, die die automatisierten, aber schwer zu verwaltenden und umständlichen Geräte von heute erfolgreich ersetzen werden. Beispielsweise werden computergesteuerte Bioroboter im Laufe der Zeit in der Lage sein, die Funktionen der derzeit sperrigen Pumpstationen zu übernehmen.

• DNA-Computer– ein Computersystem, das die Rechenfähigkeiten von DNA-Molekülen nutzt. Biomolekulares Computing ist ein Sammelbegriff für verschiedene Techniken, die auf die eine oder andere Weise mit DNA oder RNA zusammenhängen. Beim DNA-Computing werden Daten nicht in Form von Nullen und Einsen dargestellt, sondern in Form einer molekularen Struktur, die auf der DNA-Helix basiert. Die Rolle der Software zum Lesen, Kopieren und Verwalten von Daten übernehmen spezielle Enzyme.
• Rasterkraftmikroskop– ein hochauflösendes Rastersondenmikroskop, das auf der Wechselwirkung einer freitragenden Nadel (Sonde) mit der Oberfläche der zu untersuchenden Probe basiert. Anders als ein Rastertunnelmikroskop (STM) kann es sowohl leitende als auch nicht leitende Oberflächen auch durch eine Flüssigkeitsschicht hindurch untersuchen, was die Arbeit mit organischen Molekülen (DNA) ermöglicht. Die räumliche Auflösung eines Rasterkraftmikroskops hängt von der Größe des Auslegers und der Krümmung seiner Spitze ab. Die Auflösung erreicht horizontal den atomaren Bereich und übertrifft sie vertikal deutlich.
• Antennenoszillator– Am 9. Februar 2005 wurde im Labor der Boston University ein Antennenoszillator mit Abmessungen von etwa 1 Mikrometer hergestellt. Dieses Gerät besteht aus 5.000 Millionen Atomen und ist in der Lage, mit einer Frequenz von 1,49 Gigahertz zu schwingen, wodurch es riesige Informationsmengen übertragen kann.

10 Nanotechnologien mit erstaunlichem Potenzial

Versuchen Sie, sich an eine kanonische Erfindung zu erinnern. Wahrscheinlich hat sich jetzt jemand ein Rad vorgestellt, jemand ein Flugzeug und jemand einen iPod. Wie viele von Ihnen haben über die Erfindung einer völlig neuen Generation nachgedacht – die Nanotechnologie? Diese Welt ist wenig erforscht, verfügt aber über ein unglaubliches Potenzial, das uns wirklich fantastische Dinge bescheren kann. Das Erstaunliche: Das Gebiet der Nanotechnologie gab es erst 1975, obwohl Wissenschaftler schon viel früher damit begonnen haben, sich auf diesem Gebiet zu beschäftigen.

Das menschliche bloße Auge ist in der Lage, Objekte mit einer Größe von bis zu 0,1 Millimetern zu erkennen. Heute sprechen wir über zehn Erfindungen, die 100.000 Mal kleiner sind.

Elektrisch leitfähiges flüssiges Metall

Mithilfe von Elektrizität kann eine einfache flüssige Metalllegierung aus Gallium, Iridium und Zinn in einer Petrischale komplexe Formen oder Windkreise bilden. Man kann mit einiger Wahrscheinlichkeit sagen, dass dies das Material ist, aus dem der berühmte Cyborg der T-1000-Serie erstellt wurde, den wir in Terminator 2 sehen konnten.

„Die weiche Legierung verhält sich wie eine intelligente Form, die sich bei Bedarf selbst verformen kann und dabei den sich verändernden Umgebungsraum berücksichtigt, durch den sie sich bewegt. So wie es ein Cyborg aus einem beliebten Science-Fiction-Film tun könnte“, sagt Jin Li von der Tsinghua-Universität, einer der an diesem Projekt beteiligten Forscher.

Dieses Metall ist biomimetisch, d. h. es imitiert biochemische Reaktionen, obwohl es selbst keine biologische Substanz ist.

Dieses Metall kann durch elektrische Entladungen kontrolliert werden. Aufgrund des entstehenden Lastungleichgewichts, das durch den Druckunterschied zwischen Vorder- und Rückseite jedes Tropfens dieser Metalllegierung entsteht, ist es jedoch selbst in der Lage, sich selbstständig zu bewegen. Und obwohl Wissenschaftler glauben, dass dieser Prozess der Schlüssel zur Umwandlung chemischer Energie in mechanische Energie sein könnte, wird das molekulare Material in absehbarer Zeit nicht zum Bau böser Cyborgs verwendet. Der gesamte „magische“ Prozess kann nur in einer Natronlauge oder Kochsalzlösung ablaufen.

Nanoplastiken

Forscher der University of York arbeiten an der Entwicklung spezieller Pflaster, die alle notwendigen Medikamente ohne den Einsatz von Nadeln und Spritzen in den Körper transportieren sollen. Die ganz normal großen Pflaster werden auf Ihre Hand geklebt und geben eine bestimmte Dosis Wirkstoff-Nanopartikel (klein genug, um in die Haarfollikel einzudringen) in Ihren Körper ab. Nanopartikel (jeweils kleiner als 20 Nanometer) finden schädliche Zellen selbst, töten sie ab und werden durch natürliche Prozesse zusammen mit anderen Zellen aus dem Körper ausgeschieden.

Wissenschaftler stellen fest, dass solche Nanopatches in Zukunft im Kampf gegen eine der schrecklichsten Krankheiten der Erde – Krebs – eingesetzt werden könnten. Im Gegensatz zur Chemotherapie, die in solchen Fällen oft ein integraler Bestandteil der Behandlung ist, können Nanopflaster Krebszellen einzeln finden und zerstören, während gesunde Zellen unberührt bleiben. Das Nanopatch-Projekt heißt NanJect. Die Entwicklung wird von Atif Syed und Zakaria Hussain durchgeführt, die 2013, noch während ihres Studiums, im Rahmen einer Crowdsourcing-Kampagne die nötige Förderung zur Mittelbeschaffung erhielten.

Nanofilter für Wasser

Wenn diese Folie in Kombination mit einem feinen Edelstahlgewebe verwendet wird, wird Öl abgestoßen, sodass das Wasser in diesem Bereich makellos sauber bleibt.

Interessanterweise wurden Wissenschaftler von der Natur selbst dazu inspiriert, Nanofilme zu erzeugen. Lotusblätter, auch Seerosen genannt, haben die entgegengesetzten Eigenschaften von Nanofilmen: Anstelle von Öl stoßen sie Wasser ab. Dies ist nicht das erste Mal, dass Wissenschaftler diese erstaunlichen Pflanzen wegen ihrer ebenso erstaunlichen Eigenschaften ausspioniert haben. Dies führte beispielsweise 2003 zur Entwicklung superhydrophober Materialien. Für den Nanofilm versuchen Forscher, ein Material zu schaffen, das die Oberfläche von Seerosen nachahmt und es mit Molekülen eines speziellen Reinigungsmittels anreichert. Die Beschichtung selbst ist für das menschliche Auge unsichtbar. Die Herstellung wird kostengünstig sein: etwa 1 US-Dollar pro Quadratfuß.

Luftreiniger für U-Boote

Es ist unwahrscheinlich, dass jemand außer den Besatzungsmitgliedern selbst darüber nachgedacht hat, welche Luft-U-Boot-Besatzungen atmen müssen. In der Zwischenzeit muss die Luftreinigung von Kohlendioxid sofort erfolgen, da dieselbe Luft während einer Reise hunderte Male durch die leichte Besatzung des U-Bootes strömen muss. Um die Luft von Kohlendioxid zu reinigen, werden Amine verwendet, die einen sehr unangenehmen Geruch haben. Um dieses Problem anzugehen, wurde eine Reinigungstechnologie namens SAMMS (Abkürzung für Self-Assembled Monolayers on Mesoporous Supports) entwickelt. Sie schlägt die Verwendung spezieller Nanopartikel vor, die in Keramikgranulaten platziert werden. Der Stoff hat eine poröse Struktur, wodurch er überschüssiges Kohlendioxid aufnimmt. Die verschiedenen Arten der SAMMS-Reinigung interagieren mit unterschiedlichen Molekülen in der Luft, im Wasser und im Boden, aber alle diese Reinigungsoptionen sind unglaublich effektiv. Nur ein Esslöffel dieses porösen Keramikgranulats reicht aus, um eine Fläche von der Größe eines Fußballfeldes zu reinigen.

Nanoleiter

Forscher der Northwestern University (USA) haben herausgefunden, wie man einen elektrischen Leiter im Nanomaßstab herstellen kann. Bei diesem Leiter handelt es sich um ein hartes und haltbares Nanopartikel, das so konfiguriert werden kann, dass es elektrischen Strom in verschiedene entgegengesetzte Richtungen überträgt. Die Studie zeigt, dass jedes dieser Nanopartikel in der Lage ist, die Funktionsweise von „Gleichrichtern, Schaltern und Dioden“ zu emulieren. Jedes 5 Nanometer dicke Partikel ist mit einer positiv geladenen Chemikalie beschichtet und von negativ geladenen Atomen umgeben. Durch Anlegen einer elektrischen Entladung werden die negativ geladenen Atome um die Nanopartikel herum neu konfiguriert.

Das Potenzial der Technologie ist, wie Wissenschaftler berichten, beispiellos. Auf dieser Grundlage ist es möglich, Materialien zu erstellen, „die sich unabhängig voneinander ändern können, um bestimmten Computeraufgaben gerecht zu werden“. Durch den Einsatz dieses Nanomaterials wird die Elektronik der Zukunft tatsächlich „umprogrammiert“. Hardware-Upgrades werden so einfach wie Software-Upgrades.

Nanotech-Ladegerät

Wenn dieses Ding erstellt ist, müssen Sie keine kabelgebundenen Ladegeräte mehr verwenden. Die neue Nanotechnologie funktioniert wie ein Schwamm, nimmt aber keine Flüssigkeit auf. Es saugt kinetische Energie aus der Umgebung auf und leitet sie direkt in Ihr Smartphone. Die Technologie basiert auf der Verwendung eines piezoelektrischen Materials, das unter mechanischer Belastung Strom erzeugt. Das Material ist mit nanoskopischen Poren ausgestattet, die es in einen flexiblen Schwamm verwandeln.

Der offizielle Name dieses Geräts ist „Nanogenerator“. Solche Nanogeneratoren könnten eines Tages Teil jedes Smartphones auf dem Planeten sein, oder Teil des Armaturenbretts jedes Autos und vielleicht Teil jeder Kleidertasche – Geräte werden direkt darin aufgeladen. Darüber hinaus hat die Technologie das Potenzial, in größerem Maßstab eingesetzt zu werden, beispielsweise in Industrieanlagen. Zumindest denken das Forscher der University of Wisconsin-Madison, die diesen erstaunlichen Nanoschwamm entwickelt haben.

Künstliche Netzhaut

Das israelische Unternehmen Nano Retina entwickelt eine Schnittstelle, die eine direkte Verbindung zu den Neuronen des Auges herstellt und das Ergebnis der neuronalen Modellierung an das Gehirn überträgt, wodurch die Netzhaut ersetzt und das Sehvermögen des Menschen wiederhergestellt wird.

Ein Experiment an einem blinden Huhn zeigte Hoffnung auf den Erfolg des Projekts. Der Nanofilm ermöglichte es dem Huhn, das Licht zu sehen. Zwar liegt die letzte Phase der Entwicklung einer künstlichen Netzhaut zur Wiederherstellung des Sehvermögens der Menschen noch in weiter Ferne, doch die Fortschritte in dieser Richtung sind eine Freude. Nano Retina ist nicht das einzige Unternehmen, das sich mit solchen Entwicklungen beschäftigt, aber ihre Technologie scheint derzeit die vielversprechendste, effektivste und anpassungsfähigste zu sein. Der letzte Punkt ist der wichtigste, da es sich um ein Produkt handelt, das in die Augen eines Menschen integriert wird. Ähnliche Entwicklungen haben gezeigt, dass feste Materialien für solche Zwecke ungeeignet sind.

Da die Technologie auf nanotechnologischer Ebene entwickelt wird, entfällt der Einsatz von Metall und Drähten und die geringe Auflösung des simulierten Bildes wird vermieden.

Leuchtende Kleidung

Wissenschaftler aus Shanghai haben reflektierende Fäden entwickelt, die in der Bekleidungsproduktion eingesetzt werden können. Die Basis jedes Fadens ist ein sehr dünner Edelstahldraht, der mit speziellen Nanopartikeln, einer Schicht aus elektrolumineszierendem Polymer und einer Schutzhülle aus transparenten Nanoröhren beschichtet ist. Das Ergebnis sind sehr leichte und flexible Fäden, die unter dem Einfluss ihrer eigenen elektrochemischen Energie leuchten können. Gleichzeitig verbrauchen sie im Vergleich zu herkömmlichen LEDs eine deutlich geringere Leistung.

Der Nachteil der Technologie besteht darin, dass die „Lichtreserve“ der Fäden immer noch nur für wenige Stunden reicht. Die Entwickler des Materials gehen jedoch optimistisch davon aus, dass sie die „Ressource“ ihres Produkts um mindestens das Tausendfache steigern können. Selbst wenn ihnen das gelingt, bleibt die Lösung eines weiteren Mankos fraglich. Es wird höchstwahrscheinlich unmöglich sein, Kleidung auf Basis solcher Nanofäden zu waschen.

Nanonadeln zur Wiederherstellung innerer Organe

Die Nanopflaster, über die wir oben gesprochen haben, sind speziell als Ersatz für Nadeln konzipiert. Was wäre, wenn die Nadeln selbst nur wenige Nanometer groß wären? Wenn ja, könnten sie unser Verständnis von Chirurgie verändern oder zumindest deutlich verbessern.

In jüngerer Zeit führten Wissenschaftler erfolgreiche Labortests an Mäusen durch. Mit winzigen Nadeln konnten Forscher Nukleinsäuren in den Körper von Nagetieren einbringen, die Regeneration von Organen und Nervenzellen fördern und so verlorene Leistungsfähigkeit wiederherstellen. Wenn die Nadeln ihre Funktion erfüllen, verbleiben sie im Körper und zersetzen sich dort nach einigen Tagen vollständig. Gleichzeitig konnten Wissenschaftler bei Operationen zur Wiederherstellung der Blutgefäße in der Rückenmuskulatur von Nagetieren mit diesen speziellen Nanonadeln keine Nebenwirkungen feststellen.

Wenn wir menschliche Fälle berücksichtigen, können solche Nanonadeln verwendet werden, um notwendige Medikamente in den menschlichen Körper zu transportieren, beispielsweise bei Organtransplantationen. Spezielle Substanzen bereiten das umgebende Gewebe rund um das transplantierte Organ auf eine schnelle Genesung vor und schließen die Möglichkeit einer Abstoßung aus.

Chemischer 3D-Druck

Der Chemiker Martin Burke von der University of Illinois ist der Willy Wonka der Chemie. Indem er eine Sammlung von „Baustoff“-Molekülen für verschiedene Zwecke nutzt, kann er eine große Anzahl verschiedener Chemikalien herstellen, die mit allen möglichen „erstaunlichen und gleichzeitig natürlichen Eigenschaften“ ausgestattet sind. Eine solche Substanz ist beispielsweise Ratanin, das nur in einer sehr seltenen peruanischen Blume vorkommt.

Das Potenzial zur Synthese von Substanzen ist so enorm, dass es die Herstellung von Molekülen ermöglichen wird, die in der Medizin, bei der Herstellung von LED-Dioden, Solarbatteriezellen und jenen chemischen Elementen verwendet werden, für deren Synthese selbst die besten Chemiker der Welt Jahre gebraucht haben.

Die Fähigkeiten des aktuellen Prototyps eines 3D-Chemiedruckers sind noch begrenzt. Er ist nur in der Lage, neue Medikamente zu entwickeln. Burke hofft jedoch, dass er eines Tages eine Consumer-Version seines erstaunlichen Geräts entwickeln kann, die über viel größere Fähigkeiten verfügen wird. Es ist durchaus möglich, dass solche Drucker in Zukunft als eine Art Heimapotheker fungieren.

Stellt die Nanotechnologie eine Gefahr für die menschliche Gesundheit oder die Umwelt dar?

Es gibt nicht viele Informationen über die negativen Auswirkungen von Nanopartikeln. Im Jahr 2003 zeigte eine Studie, dass Kohlenstoffnanoröhren die Lunge von Mäusen und Ratten schädigen könnten. Eine Studie aus dem Jahr 2004 ergab, dass sich Fullerene ansammeln und bei Fischen Hirnschäden verursachen können. Doch in beiden Studien wurden große Mengen der Substanz unter ungewöhnlichen Bedingungen eingesetzt. Laut einer der Experten, der Chemikerin Kristen Kulinowski (USA), „wäre es ratsam, die Exposition gegenüber diesen Nanopartikeln zu begrenzen, obwohl es derzeit keine Informationen über ihre Bedrohung für die menschliche Gesundheit gibt.“

Einige Kommentatoren haben auch darauf hingewiesen, dass der weit verbreitete Einsatz der Nanotechnologie zu sozialen und ethischen Risiken führen könnte. Wenn beispielsweise der Einsatz der Nanotechnologie eine neue industrielle Revolution auslöst, führt dies zu Arbeitsplatzverlusten. Darüber hinaus kann die Nanotechnologie das Bild eines Menschen verändern, da ihr Einsatz dazu beiträgt, das Leben zu verlängern und die Widerstandsfähigkeit des Körpers deutlich zu erhöhen. „Niemand kann leugnen, dass die weit verbreitete Verbreitung von Mobiltelefonen und Internet zu enormen Veränderungen in der Gesellschaft geführt hat“, sagt Kristen Kulinowski. „Wer würde wagen zu behaupten, dass die Nanotechnologie in den kommenden Jahren keinen größeren Einfluss auf die Gesellschaft haben wird?“

Russlands Platz unter den Ländern, die Nanotechnologien entwickeln und produzieren

Weltweit führend bei den Gesamtinvestitionen in die Nanotechnologie sind die EU-Länder, Japan und die USA. In jüngster Zeit haben Russland, China, Brasilien und Indien ihre Investitionen in dieser Branche deutlich erhöht. In Russland wird sich der Förderbetrag im Rahmen des Programms „Entwicklung der Nanoindustrie-Infrastruktur in der Russischen Föderation für 2008–2010“ auf 27,7 Milliarden Rubel belaufen.

Der jüngste Bericht (2008) des in London ansässigen Forschungsunternehmens Cientifica mit dem Titel „Nanotechnology Outlook Report“ beschreibt die russischen Investitionen wörtlich wie folgt: „Obwohl die EU bei den Investitionen immer noch an erster Stelle steht, haben China und Russland die Vereinigten Staaten bereits überholt. ”

Es gibt Bereiche der Nanotechnologie, in denen russische Wissenschaftler als erste weltweit Ergebnisse erzielten, die den Grundstein für die Entwicklung neuer wissenschaftlicher Trends legten.

Dazu gehören die Herstellung ultradisperser Nanomaterialien, das Design von Einzelelektronengeräten sowie Arbeiten im Bereich der Rasterkraft- und Rastersondenmikroskopie. Allein auf einer Sonderausstellung im Rahmen des XII. St. Petersburger Wirtschaftsforums (2008) wurden 80 konkrete Entwicklungen auf einmal präsentiert. Russland produziert bereits eine Reihe von Nanoprodukten, die auf dem Markt gefragt sind: Nanomembranen, Nanopulver, Nanoröhren. Experten zufolge liegt Russland bei der Kommerzialisierung nanotechnologischer Entwicklungen jedoch zehn Jahre hinter den USA und anderen entwickelten Ländern zurück.

Nanotechnologie in der Kunst

Mehrere Arbeiten der amerikanischen Künstlerin Natasha Vita-Mor beschäftigen sich mit Themen der Nanotechnologie.

In der modernen Kunst hat sich eine neue Richtung herausgebildet: „Nanoart“ (Nanoart) – eine Kunstform, die mit der Schaffung von Skulpturen (Kompositionen) in Mikro- und Nanogröße (10 −6 bzw. 10 −9 m) durch den Künstler verbunden ist. unter dem Einfluss chemischer oder physikalischer Prozesse der Materialverarbeitung, Fotografieren der resultierenden Nanobilder mit einem Elektronenmikroskop und Bearbeiten von Schwarzweißfotos in einem Grafikeditor.

In dem bekannten Werk des russischen Schriftstellers N. Leskov „Lefty“ (1881) gibt es ein interessantes Fragment: „Wenn“, sagt er, „es ein besseres Mikroskop gäbe, das fünf Millionen vergrößert, dann würden Sie sich herablassen.“ Er sagt: „Um zu sehen, dass auf jedem Hufeisen der Name des Handwerkers steht: Welcher russische Meister hat dieses Hufeisen hergestellt?“ Eine 5.000.000-fache Vergrößerung bieten moderne Elektronen- und Rasterkraftmikroskope, die als die wichtigsten Werkzeuge der Nanotechnologie gelten. Somit kann der literarische Held Lefty als der erste „Nanotechnologe“ der Geschichte angesehen werden.

Die Ideen, die Feynman 1959 in seinem Vortrag „There's a Lot of Room Down There“ über die Herstellung und Verwendung von Nanomanipulatoren vorstellte, stimmen inhaltlich fast mit der Science-Fiction-Geschichte „Mikrorukki“ des berühmten sowjetischen Schriftstellers Boris Zhitkov aus dem Jahr 1931 überein. Einige negative Folgen der unkontrollierten Entwicklung der Nanotechnologie werden in den Werken von M. Crichton („The Swarm“), S. Lem („On-Site Inspection“ und „Peace on Earth“), S. Lukyanenko („Nothing to.“) beschrieben Teilen").

Die Hauptfigur des Romans „Transman“ von Yu. Nikitina ist Chefin eines Nanotechnologiekonzerns und die erste Person, die die Wirkung medizinischer Nanoroboter erlebt.

In den Science-Fiction-Serien Stargate SG-1 und Stargate Atlantis sind einige der technologisch fortschrittlichsten Rassen zwei Rassen von „Replikatoren“, die als Ergebnis erfolgloser Experimente entstanden sind, die verschiedene Anwendungen der Nanotechnologie nutzen und beschreiben. In „Der Tag, an dem die Erde stillstand“ mit Keanu Reeves in der Hauptrolle verurteilt eine außerirdische Zivilisation die Menschheit zum Tode und zerstört fast alles auf dem Planeten mithilfe selbstreplizierender nanoreplikanter Käfer, die alles verschlingen, was sich ihnen in den Weg stellt.

In letzter Zeit hört man oft das Wort „Nanotechnologie“. Wenn Sie einen Wissenschaftler fragen, was es ist und warum Nanotechnologie benötigt wird, wird die Antwort kurz sein: „Nanotechnologie verändert die üblichen Eigenschaften der Materie.“ Sie verändern die Welt und machen sie zu einem besseren Ort.“

Wissenschaftler behaupten, dass die Nanotechnologie in vielen Tätigkeitsbereichen Anwendung finden wird: in der Industrie, im Energiebereich, in der Weltraumforschung, in der Medizin und vielem mehr. Winzige Nanoroboter, die in jede Zelle des menschlichen Körpers eindringen können, werden beispielsweise in der Lage sein, bestimmte Krankheiten schnell zu behandeln und Operationen durchzuführen, die selbst der erfahrenste Chirurg nicht bewältigen kann.

Dank der Nanotechnologie werden „Smart Homes“ entstehen. In ihnen muss sich eine Person praktisch nicht mit langweiligen Hausarbeiten befassen. „Smart Things“ und „Smart Dust“ werden diese Verantwortung übernehmen. Die Leute werden Kleidung tragen, die nicht schmutzig wird; außerdem werden sie dem Besitzer sagen, dass es zum Beispiel Zeit ist, zu Mittag zu essen oder zu duschen.

Die Nanotechnologie wird die Erfindung von Computergeräten und Mobiltelefonen ermöglichen, die sich wie ein Taschentuch zusammenfalten und in der Tasche tragen lassen.

Kurz gesagt, Nanotechnologen beabsichtigen tatsächlich, das menschliche Leben erheblich zu verändern.

Was ist Nanotechnologie?

Was ist Nanotechnologie? Und wie genau ermöglichen sie es, die Eigenschaften von Dingen zu ändern?

Das Wort „Nanotechnologie“ besteht aus zwei Wörtern – „Nano“ und „Technologie“.

„Nano“ ist ein griechisches Wort und bedeutet ein Milliardstel von etwas, beispielsweise ein Meter. Die Größe eines Atoms beträgt etwas weniger als einen Nanometer. Und ein Nanometer ist so viel kleiner als ein Meter, wie eine gewöhnliche Erbse kleiner als der Globus ist. Wenn die Körpergröße einer Person einen Nanometer betragen würde, würde die Dicke eines Blattes Papier für eine Person der Entfernung von Moskau zur Stadt Tula entsprechen, und das sind bis zu 170 Kilometer!

Das Wort „Technologie“ bedeutet, aus verfügbaren Materialien das zu schaffen, was ein Mensch braucht.

Und Nanotechnologie ist die Schaffung dessen, was der Mensch braucht, aus Atomen und Atomgruppen (sie werden Nanopartikel genannt) mit speziellen Geräten.

Es gibt zwei Möglichkeiten, Nanopartikel zu gewinnen.

Die erste, einfachere Methode ist „Top-Down“. Das Ausgangsmaterial wird auf verschiedene Weise gemahlen, bis das Partikel nanoskalig ist.

Die zweite Möglichkeit ist die Herstellung von Nanopartikeln durch die Kombination einzelner Atome „von unten nach oben“. Dies ist eine komplexere Methode, aber Wissenschaftler sehen darin die Zukunft der Nanotechnologie.

Der erste Weg, Nanopartikel zu erhalten, besteht darin, das Material zu mahlen, bis die Partikel Nanogröße erreichen. Der zweite Weg, Nanopartikel zu erhalten, besteht darin, Atome auf verschiedene Weise zu einem Nanopartikel zu kombinieren.

Die Gewinnung von Nanopartikeln mit dieser Methode ähnelt der Arbeit mit einem Baukasten. Als Bestandteile werden ausschließlich Atome und Moleküle verwendet, aus denen Wissenschaftler neue Nanomaterialien und Nanogeräte herstellen.

Gespräche über Nanotechnologie sind mittlerweile in aller Munde eines jeden Wissenschaftlers. Aber wie und warum sind sie erschienen? Wer hat sie erfunden? Wenden wir uns seriösen Quellen zu.

Tatsächlich gibt es noch nicht einmal eine Definition des Wortes „Nanotechnologie“, aber dieses Wort wird erfolgreich verwendet, wenn es um etwas Miniatur geht. Genauer gesagt, Subminiatur: über Maschinen, die aus einzelnen Atomen bestehen, über Graphen-Nanoröhren, Singularität und die Herstellung anthropomorpher Roboter auf Basis von Nanomaterialien ...

Es ist mittlerweile allgemein anerkannt, dass der Begriff und die Bezeichnung des Schwerpunkts der Nanotechnologie ihren Ursprung in Richard Feymans Bericht „There's Plenty of Room at the Bottom“ haben. Dann überraschte Feynman das Publikum mit allgemeinen Diskussionen darüber, was passieren würde, wenn die gerade begonnene Miniaturisierung der Elektronik ihre logische Grenze, den „Boden“, erreichen würde.

Als Referenz: " Englischer Begriff „Nanotechnologie„wurde Mitte der 70er Jahre vom japanischen Professor Norio Taniguchi vorgeschlagen. im letzten Jahrhundert und wurde im Bericht „Über die Grundprinzipien der Nanotechnologie“ verwendet (AnDieBasicKonzeptvonNanotechnologie) auf einer internationalen Konferenz im Jahr 1974, also lange vor Beginn groß angelegter Arbeiten auf diesem Gebiet. In seiner Bedeutung ist es deutlich weiter gefasst als die wörtliche russische Übersetzung von „Nanotechnologie“, da es eine große Menge an Wissen, Ansätzen, Techniken, spezifischen Verfahren und deren materialisierten Ergebnissen – Nanoprodukten – impliziert.“

In der zweiten Hälfte des 20. Jahrhunderts entwickelten sich sowohl Miniaturisierungstechnologien (in der Mikroelektronik) als auch Möglichkeiten zur Beobachtung von Atomen. Die wichtigsten Meilensteine ​​der Mikroelektronik sind:

• 1947 - Erfindung des Transistors;
• 1958 - Erscheinen der Mikroschaltung;
• 1960 - Fotolithografietechnik, industrielle Herstellung von Mikroschaltungen;
• 1971 – der erste Mikroprozessor von Intel (2250 Transistoren auf einem Substrat);
• 1960-2008 – die Wirkung des „Mooreschen Gesetzes“ – die Anzahl der Komponenten pro Flächeneinheit des Substrats verdoppelte sich alle 2 Jahre.

Die weitere Miniaturisierung stieß an die Grenzen der Quantenmechanik. Das Interesse an Mikroskopen ist verständlich. Obwohl Röntgenbilder dabei halfen, viele interessante Dinge zu „sehen“ – zum Beispiel die Doppelhelix der DNA – wollte ich Mikroobjekte besser sehen.

Folgen wir hier der Chronologie:

1932 – E. Ruska erfand das Transmissionselektronenmikroskop. Vom Funktionsprinzip her ähnelt es einem normalen optischen, nur dass anstelle von Photonen Elektronen und anstelle von Linsen eine Magnetspule vorhanden sind. Das Mikroskop lieferte eine 14-fache Vergrößerung.
1936 – E. Muller schlägt den Entwurf eines Feldelektronenmikroskops mit einer Vergrößerung von mehr als einer Million vor. Vom Funktionsprinzip her ähnelt es einem Schattentheater: Auf dem Bildschirm werden Bilder von Mikroobjekten angezeigt, die sich an der Spitze einer Elektronen emittierenden Nadel befinden. Nadeldefekte und chemische Reaktionen machten es jedoch unmöglich, ein Bild zu erhalten.
1939 – Ruskas Transmissionselektronenmikroskop beginnt mit der 30.000-fachen Vergrößerung.
1951 – Müller erfindet das Feldionenmikroskop und bildet Atome an der Spitze einer Nadel ab.
1955 – Das weltweit erste Bild eines einzelnen Atoms wurde mit einem Feldionenmikroskop aufgenommen.
1957 – Das weltweit erste Bild eines einzelnen Moleküls wurde mit einem Feldelektronenmikroskop aufgenommen.
1970 – TransAufnahme eines einzelnen Atoms.
1979 – Binnig und Rohrer (Zürich, IBM) erfinden ein Rastertunnelmikroskop mit einer nicht schlechteren Auflösung als oben.

Aber die Hauptsache ist anders: „In der Welt“ der einfachsten Teilchen kommt die Quantenmechanik ins Spiel, das heißt, Beobachtung kann nicht von Interaktion getrennt werden. Vereinfacht gesagt stellte sich schnell heraus, dass man mit einem Mikroskop Moleküle greifen und bewegen oder durch einfachen Druck ihren elektrischen Widerstand ändern kann.

Ende 1989 verbreitete sich in der wissenschaftlichen Welt eine Sensation: Der Mensch hatte gelernt, einzelne Atome zu manipulieren. Der in Kalifornien tätige IBM-Mitarbeiter Donald Eigler schrieb den Namen seines Unternehmens auf die Oberfläche des Metalls mit 35 Xenon-Atomen. Dieses Bild, das später in den Weltmedien verbreitet wurde und bereits auf den Seiten von Schulbüchern erschien, markierte die Geburtsstunde der Nanotechnologie.

Die Wiederholung des Erfolgs wurde sofort (im Jahr 1991) von japanischen Wissenschaftlern gemeldet, die die Inschrift „PEACE „91 HCRL“ (Welt im Jahr 1991 HITACHI Central Research Laboratory) schufen. Zwar haben sie diese Inschrift ein ganzes Jahr lang angefertigt und keineswegs durch das Platzieren von Atomen auf der Oberfläche, sondern im Gegenteil – sie haben unnötige Atome aus dem Goldsubstrat herausgesucht.

Erst 1996 konnte Eiglers Leistung tatsächlich wiederholt werden – im Zürcher Labor von IBM. Im Jahr 1995 gab es weltweit nur fünf Labore, die sich mit der Manipulation von Atomen beschäftigten. Drei in den USA, einer in Japan und einer in Europa. Gleichzeitig gehörten die europäischen und japanischen Labore zu IBM, waren also faktisch auch amerikanisch.

Was könnten europäische Politiker und Bürokraten in einer solchen Situation tun? Schreien Sie einfach über die schädliche Natur des Fortschritts für die Umwelt und die Gefahr neuer Technologien in amerikanischer Hand.

Wo wird Nanotechnologie eingesetzt? Nanotechnologie wird in der modernen Welt in vielen Branchen eingesetzt. In welchen Branchen erfahren Sie in diesem Artikel. Der Nanotechnologie-Bericht enthält viele nützliche Informationen.

Wo werden Nanotechnologien eingesetzt?

Errungenschaften der Nanotechnologie werden in folgenden Branchen eingesetzt:

Anwendung der Nanotechnologie in der Medizin: Sicherstellen, dass die Entwicklung neuer Arzneimittel beschleunigt wird, hochwirksame Formen und Methoden zur Abgabe von Arzneimitteln an den Krankheitsherd geschaffen werden, neue Diagnosewerkzeuge angeboten werden und nichttraumatische Operationen ermöglicht werden

Nanotechnologie begann bei der Herstellung modischer Kleidung eingesetzt zu werden kürzlich. Einige der Modedesigner begannen in Zusammenarbeit mit Wissenschaftlern Modelle sogenannter „Funktionskleidung“ herzustellen. Es wird sich nicht nur im Aussehen von dem unterscheiden, was wir gewohnt sind, sondern auch in den Eigenschaften des Stoffes, aus dem es hergestellt ist.
Kleidung aus Kohlenstoffnanoröhren muss nicht gewaschen werden, es ist unmöglich, darin krank zu werden, sie lässt keine schädlichen Gase durch und schützt vor der modernen Ökologie. 1 qm Ein Meter Stoff kostet etwa 10.000. $

Anwendung der Nanotechnologie im Bauwesen. Nanomaterialien für den Bau, autonome Energiequellen auf Basis leistungsstarker Solarpaneele, Nanofilter zur Wasser- und Luftreinigung – diese Errungenschaften der Nanotechnologie sollten gemacht werden – und werden bereits gemacht! — Unsere Häuser sind komfortabler, zuverlässiger und sicherer geworden. Durch die Zugabe von Nanopartikeln (einschließlich Kohlenstoffnanoröhren) zu Beton wird dieser um ein Vielfaches fester. Nanobeschichtungen werden entwickelt, um Betonstrukturen vor Wasser zu schützen. Auch Stahl, ein wichtiger Baustoff, wird durch die Zugabe von Vanadium- und Molybdän-Nanopartikeln deutlich fester. Selbstreinigendes Glas mit Titandioxid-Nanopartikeln wird bereits industriell hergestellt. Nanofilm-Glasbeschichtungen sollen künftig den Licht- und Wärmefluss durch Fenster optimal regulieren. Um Gebäude vor Bränden zu schützen, bieten Nanotechnologien sowohl neue nicht brennbare Materialien (z. B. Kabelisolierungen mit Ton-Nanopartikeln) als auch „intelligente“ Netzwerke hochempfindlicher Nanofeuersensoren. Mit Zinkoxid-Nanopartikeln beschichtete Tapeten tragen dazu bei, den Raum von Bakterien zu reinigen. Was Haushaltsgeräte betrifft – Kühlschränke, Fernseher, Sanitärarmaturen, Beleuchtungskörper, Küchengeräte – ist das Anwendungsgebiet der Nanotechnologie unerschöpflich.

Nanomaterialien in der Industrie Derzeit sind Nanomaterialien am wenigsten toxisch und mit einer lebenden Zelle (Mensch, Pflanze, Tier) am besten biokompatibel. Produzierte Nanomaterialien finden in nahezu jeder Branche hochwertige Anwendung:

• Kraftstoff (Kraftstoffkatalysatoren, Erhöhung der Oktanzahl, Minimierung der Emissionen);
• kosmetisch (Anreicherung mit Mikroelementen, bakterizide Eigenschaften);
• Textilien, Schuhe (bakterizide und heilende Eigenschaften von Kleidung und Schuhen);
• Farben und Lacke (bakterizide Lacke und Farben, Spezialbeschichtungen);
• Leder (antimykotische Behandlung der Haut);
• medizinisch (Medikamente der neuen Generation, Nanovitaminkomplexe von Mikroelementen);
• im agroindustriellen Komplex (Nanodünger, Futtermittelzusatzstoffe, Produktlagerung);
• Lebensmittelindustrie (Nahrungsergänzungsmittel, Vitaminkomplexe);
• und auch: Zellstoff und Papier, Chemie, Kommunaltechnik, Elektronik, Energie, Maschinenbau als zusätzlicher Rohstoffbestandteil, der den Produkten zusätzliche Eigenschaften verleiht.

Anwendung der Nanotechnologie im Maschinenbau
Die Automobilindustrie ist eine davon. dass sie Innovationen, auch nanotechnologische, als Erste wahrnehmen. Bereits heute wird der weltweite Umsatz mit Produkten, die Nanotechnologie nutzen, in dieser Branche auf mehr als 8 Milliarden US-Dollar geschätzt. Hier sind nur einige Beispiele dafür, wie Nanoinnovationen vertraute Elemente eines Autos verändern. Verbundwerkstoffe ermöglichen es, Körperteile stabil und leicht zu machen. Die Zugabe von Nanopartikeln zum Kraftstoff erhöht die Effizienz seiner Verbrennung und reduziert gleichzeitig die Menge der in die Atmosphäre emittierten Schadstoffe. Im Öl enthaltene Nanopartikel tragen dazu bei, die Lebensdauer des Motors zu verlängern: Einigen Daten zufolge reduziert die Verwendung solcher Additive den Verschleiß von Teilen um das 1,5- bis 2-fache. Dem Reifengummi werden Kohlenstoff-Nanopartikel (sog. Black Carbon) zugesetzt, wodurch die Festigkeit spürbar erhöht wird. Mit magnetischen Nanopartikeln gesättigte Flüssigkeiten werden für den Einsatz in Stoßdämpfern mit einstellbarer Steifigkeit getestet. Nanotechnologie kann ein Auto auch optisch völlig anders machen.

Nanomaterialien in Solarzellen– neue vielversprechende alternative Energiequellen. Eine umfassende Energieversorgung für den Bedarf der Menschheit bei gleichzeitiger Wahrung des vollständigen ökologischen Gleichgewichts, in der eine langfristig nachhaltige Entwicklung der menschlichen Gesellschaft im Einklang mit der Umwelt möglich ist, kann nur durch die Nutzung der unerschöpflichen Energie von erreicht werden die Umgebung. Solche Quellen sind zunächst: Sonnenstrahlungsenergie, thermische Energie aus dem Erdinneren, Schwerkraft

Nanomaterialien in der Kernproduktion Die gezielte Arbeit im Bereich der Schaffung von Nanomaterialien und Nanotechnologien in der Nuklearindustrie begann Mitte des letzten Jahrhunderts, fast zeitgleich mit der Erprobung der ersten Atomwaffe im Jahr 1949. Derzeit entwickelt VNIIIM Technologien zur Herstellung funktioneller Substanzen und Produkte unter Verwendung von Nanotechnologien und Nanomaterialien für nukleare, thermonukleare, Wasserstoff- und konventionelle Energie, medizinische Präparate, Materialien und Produkte für die Volkswirtschaft. Eine der Voraussetzungen für die Entwicklung der Kernenergie ist Reduzierung des spezifischen Verbrauchs von Natururan bei der Energieerzeugung, was vor allem durch die Steigerung des Abbrands von Kernbrennstoffen erreicht wird. Die Aktivierung des Sinterprozesses durch Nanoadditive könnte eine der Richtungen für die Entwicklung von Technologien für neue Arten von Uran-Plutonium-Oxiden und -Nitriden für schnellenergetische Kernbrennstoffe sein.

Nanomedizin und chemische Industrie Eine Richtung in der modernen Medizin, die auf der Nutzung der einzigartigen Eigenschaften von Nanomaterialien und Nanoobjekten basiert, um menschliche biologische Systeme auf nanomolekularer Ebene zu verfolgen, zu entwerfen und zu modifizieren. DNA-Nanotechnologie – nutzt die spezifischen Basen von DNA-Molekülen und Nukleinsäuren, um auf ihrer Basis klar definierte Strukturen zu schaffen. Industrielle Synthese von Arzneimittelmolekülen und pharmakologischen Präparaten einer genau definierten Form (Bispeptide).

Robotik Nanobots sind Maschinen, die präzise mit Objekten im Nanomaßstab interagieren oder Objekte im Nanomaßstab manipulieren können. Daher können auch große Geräte wie ein Rasterkraftmikroskop als Nanoroboter betrachtet werden, da sie Objekte im Nanomaßstab manipulieren. Darüber hinaus können auch herkömmliche Roboter, die sich mit nanoskaliger Präzision bewegen können, als Nanoroboter betrachtet werden. Jeden Tag nimmt ihre Zahl auf der Welt zu. Vielleicht können sie in naher Zukunft fast alle menschlichen Aktivitäten ganz oder teilweise ersetzen.

In unserem Land hat die Regierung ein Programm zur Entwicklung der Nanoindustrie verabschiedet. Das Wort „Nanotechnologie“ ist über Nacht in Mode gekommen; die Medien diskutieren aktiv über die Aussichten des Landes im Lichte der Entwicklung dieses vielversprechenden Wissenschaftsbereichs. Was ist Nanotechnologie und welchen Nutzen kann sie haben?

Wir wissen genau, dass ein Zentimeter ein Hundertstel Meter, ein Millimeter ein Tausendstel und ein Nanometer ein Milliardstel Meter ist. Nano- bedeutet ein Milliardstel von etwas.

Nanotechnologie – Hierbei handelt es sich um Methoden zur Schaffung nanoskaliger Strukturen, die Materialien und Geräten nützliche und manchmal einfach außergewöhnliche Eigenschaften verleihen. Technologien zur Herstellung supermikroskopischer Strukturen aus kleinsten Materieteilchen. Nanotechnologie ist die Fähigkeit, aus kleinsten Elementen neue Materialien mit bestimmten Eigenschaften zu erzeugen – Atome, und im Laufe der Zeit werden sie unser Leben radikal zum Besseren verändern.

Nanotechnologie in der Medizin

Aus nanotechnologische Entwicklungen In Behandlung Sie erwarten revolutionäre Erfolge im Kampf gegen Krebs, insbesondere gegen gefährliche Infektionen, in der Früherkennung und in der Prothetik. In all diesen Bereichen wird intensiv geforscht. Einige ihrer Ergebnisse haben bereits Eingang in die medizinische Praxis gefunden. Hier nur zwei markante Beispiele:

Durch die Abtötung von Mikroben und die Zerstörung von Tumoren greifen Medikamente normalerweise gesunde Organe und Zellen des Körpers an. Aus diesem Grund können einige schwerwiegende Krankheiten immer noch nicht zuverlässig geheilt werden – Medikamente müssen in zu geringen Dosen eingesetzt werden. Die Lösung besteht darin, die gewünschte Substanz direkt an die betroffene Zelle abzugeben, ohne den Rest zu beeinträchtigen.

Zu diesem Zweck werden Nanokapseln hergestellt, meist biologische Partikel (z. B. Liposomen), in die eine Nanodosis des Arzneimittels eingebracht wird. Wissenschaftler versuchen, die Kapseln auf bestimmte Zelltypen abzustimmen, die sie durch das Eindringen in die Membranen zerstören sollen. Erst vor kurzem erschienen die ersten Industriemedikamente dieser Art zur Bekämpfung bestimmter Krebsarten und anderer Krankheiten.

Nanopartikel helfen, andere Probleme bei der Arzneimittelabgabe im Körper zu lösen. Somit ist das menschliche Gehirn von Natur aus ernsthaft vor dem Eindringen unnötiger Substanzen durch die Blutgefäße geschützt. Allerdings ist dieser Schutz nicht perfekt. Es wird leicht von Alkohol-, Koffein-, Nikotin- und Antidepressivamolekülen überwunden, blockiert jedoch Medikamente gegen schwere Erkrankungen des Gehirns. Um sie einzuführen, müssen Sie komplexe Operationen durchführen. Eine neue Methode zur Abgabe von Medikamenten an das Gehirn mithilfe von Nanopartikeln wird derzeit getestet. Ein Protein, das die „Hirnschranke“ frei passiert, spielt die Rolle eines „Trojanischen Pferdes“: An die Moleküle dieses Proteins „heftet“ sich ein Quantenpunkt (Halbleiter-Nanokristall) und dringt zusammen mit diesem in die Gehirnzellen ein. Quantenpunkte signalisieren vorerst nur, dass eine Barriere überwunden wurde, in Zukunft ist geplant, sie und andere Nanopartikel für Diagnostik und Behandlung einzusetzen.

Das weltweite Projekt zur Entschlüsselung des menschlichen Genoms ist längst abgeschlossen – eine vollständige Aufklärung der Struktur von DNA-Molekülen, die in allen Zellen unseres Körpers vorkommen und deren Entwicklung, Teilung und Erneuerung kontinuierlich steuern. Für die individuelle Verschreibung von Medikamenten, für die Diagnose und Prognose von Erbkrankheiten ist es jedoch notwendig, nicht das Genom im Allgemeinen, sondern das Genom des jeweiligen Patienten zu entschlüsseln. Der Entschlüsselungsprozess ist jedoch immer noch sehr langwierig und teuer.

Die Nanotechnologie bietet interessante Möglichkeiten, dieses Problem zu lösen. Zum Beispiel der Einsatz von Nanoporen – wenn ein Molekül durch eine solche Pore in einer Lösung gelangt, registriert der Sensor dies durch eine Änderung des elektrischen Widerstands. Allerdings kann viel getan werden, ohne auf eine vollständige Lösung eines so komplexen Problems warten zu müssen. Es gibt bereits Biochips, die in einer Analyse mehr als zweihundert „genetische Syndrome“ erkennen können, die für verschiedene Krankheiten bei einem Patienten verantwortlich sind.

Ein weiteres Einsatzgebiet der Nanotechnologie ist die Zustandsdiagnostik einzelner lebender Zellen direkt im Körper. Derzeit werden Sonden getestet, die aus einer mehrere zehn Nanometer dicken optischen Faser bestehen, an der ein chemisch empfindliches Nanoelement angebracht ist. Die Sonde wird in die Zelle eingeführt und übermittelt über eine optische Faser Informationen über die Reaktion des empfindlichen Elements. Auf diese Weise ist es möglich, den Zustand verschiedener Zonen innerhalb der Zelle in Echtzeit zu untersuchen und sehr wichtige Informationen über Störungen ihrer feinen Biochemie zu erhalten. Und das ist der Schlüssel zur Diagnose schwerer Krankheiten in einem Stadium, in dem es noch keine äußeren Manifestationen gibt – und wenn die Krankheit viel einfacher zu heilen ist.

Ein interessantes Beispiel ist die Entwicklung neuer Technologien zur Sequenzierung (Bestimmung der Nukleotidsequenz) von DNA-Molekülen. Eine dieser Techniken ist die Nanoporensequenzierung, eine Technologie, die Poren nutzt, um in einer Elektrolytlösung suspendierte Partikel im Submikron- bis Millimeterbereich zu zählen. Wenn ein Molekül eine Pore passiert, ändert sich der elektrische Widerstand im Sensorkreis. Und jedes neue Molekül wird durch die Stromänderung registriert. Das Hauptziel, das Wissenschaftler, die diese Methode entwickeln, erreichen wollen, besteht darin, zu lernen, einzelne Nukleotide in RNA und DNA zu erkennen.

Schönheit und Nanotechnologie

Die Schönheitsindustrie ist einer der Bereiche, in denen die neuesten Technologien am schnellsten zum Einsatz kommen. Nanotechnologien, die vor relativ kurzer Zeit nicht mehr ausschließlich in technischen Geräten zum Einsatz kamen, finden sich mittlerweile zunehmend auch in Kosmetikprodukten wieder. Es wurde festgestellt, dass 80 Prozent aller auf die Haut aufgetragenen kosmetischen Substanzen unabhängig vom Preis auf der Haut verbleiben. Das bedeutet, dass die Wirkung ihrer Anwendung hauptsächlich nur den Zustand der obersten Hautpartie beeinflusst. Daher hängt der Erfolg der Kosmetikindustrie zunehmend von der Entwicklung von Systemen zur Abgabe von Wirkstoffen an die tieferen Hautschichten ab. Die Nanotechnologie hilft bei der Lösung dieses Problems, mit dem Kosmetikerinnen seit langem konfrontiert sind. Die Hautalterung entsteht dadurch, dass die Zellerneuerung mit zunehmendem Alter verlangsamt wird. Um das Wachstum junger Zellen zu stimulieren, deren Anzahl die Elastizität der Haut, ihre Farbe und das Fehlen von Falten bestimmt, ist es notwendig, auf die tiefste Keimschicht der Dermis einzuwirken. Es ist von der Hautoberfläche durch eine Barriere aus Hornschuppen getrennt, die durch eine Lipidschicht zusammengehalten werden. Dies kann nur durch Interzellularräume erfolgen, deren Durchmesser vernachlässigbar ist – nicht mehr als 100 nm. Doch das mikroskopisch kleine „Tor“ ist nicht das einzige Hindernis. Es gibt noch eine weitere Schwierigkeit: Die Stoffe, die diese Lücken füllen, lassen wasserlösliche Verbindungen nicht durch. Doch diese Stoffe, sogenannte Lipide, lassen sich mithilfe der Nanotechnologie austricksen. Eine der Lösungen für das Problem der Abgabe biologisch aktiver Substanzen war die Schaffung künstlicher „Behälter“, Liposomen, die erstens klein sind, in Interzellularräume eindringen und zweitens von Lipiden als „freundlich“ erkannt werden. Ein Liposom ist ein kolloidales System, bei dem ein wässriger Kern allseitig von einem geschlossenen Kugelgebilde umgeben ist. Die so maskierte wasserlösliche Verbindung passiert ungehindert die Lipidbarriere. Kosmetik auf Liposomenbasis bekämpft die ersten Anzeichen der Hautalterung – erhöhte Trockenheit und Falten. Nährstoffe können dank des Systems liposomaler Komplexe recht tief eindringen. Aber leider nicht genug, um die Regenerationsprozesse in der Haut wesentlich zu beeinflussen. Mizellen sind mikroskopisch kleine Partikel, die in Lösungen entstehen und aus einem Kern und einer Hülle bestehen. Abhängig vom Zustand der Lösung und der Beschaffenheit von Kern und Hülle können Mizellen unterschiedliche äußere Formen annehmen. Liposomen sind eine Art Mizellen.

Der nächste Schritt in der Entwicklung von Anti-Aging-Kosmetika war die Bildung von Sedimenten. Diese Transportkomplexe sind im Vergleich zu Liposomen noch kleiner und kugelförmige Gebilde, die mit Vitaminen, Mikroelementen oder anderen nützlichen Substanzen gefüllt sind. Aufgrund ihrer geringen Größe können Nanosomen in die tieferen Hautschichten eindringen. Doch trotz all ihrer Vorteile sind Nanosomen nicht in der Lage, bioaktive Komplexe zu transportieren, die für die richtige Ernährung der Zellen notwendig sind. Sie können lediglich einen Stoff transportieren, zum Beispiel ein Vitamin. Jüngste Entwicklungen auf dem Gebiet der Biotechnologie haben es ermöglicht, Kosmetika zu entwickeln, die nicht nur in die Zone der Keimschicht der Dermis eindringen können, sondern darin auch genau die Prozesse auslösen, die im Labor programmiert wurden. Gezielte Kosmetik auf Basis von Nanokomplexen transportiert nicht nur Nährstoffe in die tiefen Hautschichten – ihr Arsenal umfasst je nach Aufgabenstellung auch Befeuchtung, Reinigung, Entgiftung, Glättung von Narben und vieles mehr. Darüber hinaus werden Nanokomplexe so geschaffen, dass die Freisetzung bioaktiver Substanzen genau dort erfolgt, wo sie benötigt werden. Der Hauptvorteil solcher Kosmetika ist die gezielte Vorbeugung der Hautalterung. Schließlich ist die Korrektur der in der Haut ablaufenden Prozesse viel effektiver als die Bekämpfung der Folgen dieser Prozesse. V.