Nanotechnologie

Was ist Nanotechnologie?

Der Sammelbegriff Nanotechnologie, oft auch Nanotechnik (altgriechisch nános ‚Zwerg‘), gründet auf der allen Nano-Forschungsgebieten zu Grunde liegenden gleichen Größenordnung der Nanopartikel vom Einzel-Atom bis zu einer Strukturgröße von 100 Nanometern (nm): Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter (10⁻⁹ m). In der Nanotechnologie stößt man also zu Längenskalen vor, auf denen besonders die Größe die Eigenschaften eines Objektes bestimmt. Man spricht von „größeninduzierten Funktionalitäten“.
Mit dem Begriff wird heute die entsprechende Forschung in der Oberflächenphysik, der Oberflächenchemie sowie in Teilbereichen des Maschinenbaus und der Lebensmitteltechnologie (Nano-Food) bezeichnet.

Schon heute spielen Nanomaterialien eine wichtige Rolle. Sie werden zumeist auf chemischem Wege oder mittels mechanischer Methoden hergestellt. Einige davon sind kommerziell verfügbar und werden in handelsüblichen Produkten eingesetzt, andere sind wichtige Modellsysteme für die physikalisch-chemische und materialwissenschaftliche Forschung.

Ebenfalls bedeutend ist die Nanoelektronik. Deren Zugehörigkeit zur Nanotechnologie wird in der wissenschaftlichen und forschungspolitischen Praxis nicht einheitlich gesehen. Unklar und unerforscht sind in vielen Bereichen die Wirkungen und der Einfluss der meist künstlich hergestellten Teilchen auf die Umwelt.
Eine Entwicklungsrichtung der Nanotechnologie kann als Fortsetzung und Erweiterung der Mikrotechnik angesehen werden, doch erfordert eine weitere Verkleinerung von Mikrometerstrukturen meist völlig unkonventionelle neue Ansätze. Die Chemie folgt in der Nanotechnologie oft dem entgegengesetzten Ansatz. Chemiker, die üblicherweise in molekularen arbeiten, bauen aus einer Vielzahl von einzelnen Moleküleinheiten größere nanoskalige Molekülverbunde auf. 
Ein kleiner Zweig der Nanotechnologie beschäftigt sich mit Nanomaschinen (siehe molekulare Maschine) oder Nanobots. 

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Hinweis: Die Quellenangaben zu diesem Text sind am Ende dieser Internetseite zu finden.

Videos:

1) → Willkommen in der Nanowelt - Deutsch 1/4

2) → Willkommen in der Nanowelt - Deutsch 2/4

3) → Willkommen in der Nanowelt - Deutsch 3/4

4) → Willkommen in der Nanowelt - Deutsch 4/4

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Aufgaben:

Fragen zum ersten Teil: Willkommen in der Nanowelt (1) - Von Miko zu Nano

1) Was ist ein C-60-Molekül? 

2) Warum ist Kohlenstoff (C) so besonders? (Welche Erscheinungsformen kann das C-Atom annehmen?

3) Was sind Nanoröhrchen? Welche Eigenschaften haben sie?

4) In der Nanotechnologie müssen alle Naturwissenschaften (Physik, Chemie und Biologie) zusammenarbeiten. Warum ist das hier so wichtig?

Fragen zum zweiten Teil: Willkommen in der Nanowelt (2) - Überall ist Nano

1) Was versteht man unter "Quanteneffekten"? Nenne Beispiele dafür.

2) Welche Anwendungen findet die Nanotechnologie in der Textilindustrie?

3) Nenne Nenne mindestens drei weitere Anwendungen der Nanotechnologie.

Fragen zum dritten Teil: Willkommen in der Nanowelt (3) - Nanos in uns

1) Welche Anwendungen der Nanotechnologie gibt es in der Medizin?

2) Was versteht man unter "Regenerativer Medizin"?

Fragen zum vierten Teil: Willkommen in der Nanowelt (4) - Große Angst vor kleinen Teilchen

1) Sind Nanoteilchen eine Gefahr?

2) Was befürchten sogenannte "Nanoaktivisten" bei der Nanotechnologie?

3) Welche gesetzlichen Regelungen bestehen bezüglich der Nanotechnologie?

4) Wie könnte die Nanotechnologie für arme Länder nützlich sein?

Videos:

1) → Was ist Graphen?

2) → Die Geschichte von Carbon Nanotubes

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Zusatzfolie:

Videos:

1) → Top 5 Nanotechnologie Erfindungen

Exkurs - Videos zum Thema "Photokatalyse":

1) → Der FAP erklärt Photokatalyse

2) → Titandioxid als Klimaschützer Nadicare Solution

3) → Abbau von Luftschadstoffen durch Photokatalyse

4) → Photokatalyse Experiment / Zersetzung von Rauch

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Aufgaben:

1. Fragen zum Video: "Top 5 Nanotechnologie Erfindungen" - Nenne die fünf Beispiele und erläutere sie jeweils kurz.
   

Fragen zum Exkurs - Thema "Photokatalyse":

1. Was ist TiO₂ ?
2. Wie wird TiO₂ gewonnen?
3. Das versteht man unter "Photokatalyse"? Nenne vier Anwendungsbeispiele und erläutere was dabei die Nanotechnologie bewirkt.
4. In welchen ändern wird TiO₂ schon heute eingesetzt und wie sieht es in Deutschland damit aus?
   
5. Fragen zum Video: "Top 5 Nanotechnologie Erfindungen" - Nenne die fünf Beispiele und erläutere sie jeweils kurz.
   

Videos:

1) → Nanotechnologien – Wie wir die Grundbausteine unserer Welt verändern können

2) → Nanobots werden Wirklichkeit - Roboter im eigenen Körper! - Science & Fiction

3) → GLOBALFOUNDRIES Fab 1 Dresden- Vom Sand zum Chip

4) → Herstellung von Prozessoren / CPUs / Chips / Transistoren (Animation)

5) → Bionik: Wie uns die Natur zu technischen Lösungen inspiriert | Watts On

6) → Wie sich Bionik die Natur als Vorbild nimmt

7) → Selbstorganisation und Nanotechnologie: Transregio 61

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Aufgaben:

1. Welchen Zusammenhang gibt es zwischen der Bionik und der Nanotechnologie?

2. Was versteht man unter "selbstorganisierenden Strukturen"?

3. Was ist ein "Nanobot" und ein "Nano-Auto" und welche Funktion sollen sie erfüllen?

4. Was ist ein "Wafer"?

5. Wie erreicht man bei der Herstellung von Mikroprozessoren die notwendigen Strukturen für die elektrischen Leiterbahnen? (Stichwort: "Fotolithografie" - Was ist das?)

6. Wie wird das Ergebnis und die Qualität von fertigen Prozessoren überprüft?

Videos:

1) → Wie gefährlich Nano wirklich ist | Mai Thi Nguyen-Kim

2) → «Nano» in Produkten: mögliche Gefahren

3) → Nano-Partikel - Ein übersehenes Umweltproblem | Gut zu wissen | BR

4) → Nanotechnologie-Unsichtbare Gefahr 1/3

5) → Nanotechnologie-Unsichtbare Gefahr 2/3

6) → Nanotechnologie-Unsichtbare Gefahr 3/3

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Aufgaben:

1. In der Nanotechnologie spielen sehr kleine Teilchen eine wichtige Rolle. 
   a) Wie hängt die Teilchengröße hierbei mit der Oberfläche der Nanopartikel zusammen und welche Konsequenzen hat das? 
   b) In einem Video siehst du dies am Beispiel eines Eisennagels. Eisen kann aber auch als Eisenwolle vorliegen - was ist dann der Unterschied?
2. Medizinisch hat die Nanotechnologie als Beispiel ein sehr großes Potential. Welche neuen Möglichkeiten bietet die Nanotechnologie hier und was ist der Grund dafür? Warum ist die Nanotechnologie hier das richtige "Werkzeug"?
3. Die Frage nach den "gesundheitlichen Problemen der Nanotechnologie" ist nicht ganz allgemein zu beantworten. Was ist hierbei zu beachten? 
4. Bisher hat man nur wenige Probleme in Zusammenhang mit der Nanotechnologie nachgewiesen. Heißt das, dass es keine Probleme mit der Nanotechnologie gibt?
5. Welche Auswirkungen haben Nanopartikel im menschlichen Körper? 
6. Die Forschung im Bereich Nanotechnologie ist in vollem Gange. Wird hierbei immer auch auf die gesundheitlichen Auswirkungen geachtet? Worauf sollt bei begleitenden Untersuchungen geachtet werden?
7. Nanomaterialien können in die Luft "suspendieren". - Was ist damit gemeint und warum könnte das ein Problem sein?
8. "Die Dosis macht das Gift" - Was ist mit dieser Aussage gemeint?
9. Untersuchungen in Kläranlagen haben heute schon ein Problem mit Nanopartikeln gezeigt. Welche Nanopartikel sind das und wo kommen sie her?
10. Was ist der "Umweltrat der Bundesregierung"? und zu welchem Ergebnis sind sie bezüglich der Risiken der Nanotechnologie gekommen? - Nenne drei Empfehlungen des Umweltrates.

Videos:

1) → Teilchenzoo: Quarks - Bausteine der Atomkerne

2) → 06D Was sind die vier Grundkräfte ?

3) → Materie besteht nicht aus Materie | Harald Lesch

4) → Alpha.Centauri.-.153.-.Was.sind.Quarks

(Hinweis zu Video 4: Die Alpha-Centauri-Sendung beinhaltet bereits viele weiterführende Informationen und geht inhaltlich über die Thematik zur Folie [07] in vielen Bereichen hinaus)

Exkurs / Zusätzliche Videoempfehlung:
(Kosmologie und fundamentale Wechselwirkungen)

5) → Harald Lesch • Die 4 Grundkräfte | Kosmologie (9)

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Aufgaben:

1. Was sind Quarks?
2. Welche Quarks gibt es?
3. Was ist ein Gluon und warum heißt das so?
4. Elektronen und Protonen sind "geladen". Man unterscheidet die positiven und negativen Ladungen. Welche Ladungen haben Quarks und wie beschreibt man sie?
5. Wie hat man die Quarks eigentlich überhaupt gefunden?
6. Fundamentale Kräfte (Wechselwirkungen):
   a) Nenne die vier fundamentalen Kräfte.
   b) Nenne zu jeder der vier fundamentalen Kräfte ein Beispiel für ihre Anwendung. Was "bewirkt" die jeweilige fundamentale Kraft?
7. Welchen Grundsatz gibt es in der Natur und was versteht man unter "Bindungsenergie"?
8. Atome sind sehr kleine Bausteine aus denen wie Welt besteht. Woher kommt der Begriff "Atom" eigentlich und wer hat ihn geprägt? 
9. Was versteht man unter "Elementarteilchen"? Was dachten die alten Griechen vor über 2000 Jahren und wie und warum hat sich hier der Kenntnisstand seit damals verändert?
10. Ernest Rutherford führte 1911 Streuversuche an Atomen durch und stellte sein Rutherfordsches Atommodell auf (Atome bestehen aus einem positiven (sehr kleinen) Kern und der Elektronenhülle). Ein Atomkern ist zusammengesetzt aus lauter positiven Protonen (und Neutronen). Man wunderte sich sehr über die Ergebnisse seiner Streuversuche! 
    a) Welches grundlegende Problem tauchte hier bei der Erklärung für den Aufbau des Atomkerns auf?
    b) Um das Problem zu lösen, musste man die Modellvorstellung erweitern! Wie tat man das, um den Aufbau des Atomkerns zu begründen?

Videos:

1) → Die Physik Einsteins - Teil 1: Der Photoeffekt (mit Harald Lesch)

2) → Licht = Welle, Strahl oder Teilchen?!?

3) → Der Welle-Teilchen-Dualismus

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Aufgaben:

1. Was ist der Photoeffekt und was wollte man beim Photoeffekt zunächst im Versuch erreichen?
2. Welche besondere Idee bezüglich der Vorstellung von Energie liegt dem Photoeffekt zugrunde?
3. Im Video zum Photoeffekt wurde ein Versuch mit verschiedenen Farben gezeigt. Eine Metalloberfläche wurde dabei mit verschiedenen Lampen beleuchtet. Was konnte man dabei feststellen? Beschreibe den Versuch und die Konsequenz, also das Ergebnis.
4. Welche Bedeutung hat der Photoeffekt in unserem Alltag? Welche wichtige Anwendung hängt damit zusammen?
5. Licht wird im zweiten Video in drei Modellvorstellungen vorgestellt. Nenne die drei Modellvorstellungen und beschreibe das jeweilige Modell an einem Beispiel.
6. Welche Vorstellung hatte man im Verlauf der Zeit vom Licht? Nenne vier wichtige Modellvorstellungen, den Zeitraum und deren Schöpfer)
7. Welchen Versuch führte der Physiker Wilhelm Hallwachs (Video: Der Welle-Teilchen-Dualismus) durch und was war das wichtige Ergebnis dabei?
8. Welche wichtigen Resultate kann man zum Photoelektrischen Effekt zusammenfassen? Nenne drei wichtige Resultate.

Videos:

1) → Spektroskopie

2) → Spektroskopie - Sternenlicht zerlegen

3) → How does a spectrophotometer work?

4) → Resonanz - Resonanzkatastrophe

5) → IR-Spektroskopie

6) → Chemistry Visualizations: IR-Spektroskopie mit ATR

7) → Types of Molecular Vibrations in IR Spectroscopy

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Aufgaben:

1. Was ist ein "Spektrum"?
2. Mit Hilfe der "Spektroskopie" kann man z.B. Informationen über weit entfernte Sterne erhalten. Welche Informationen sind das und wie funktioniert das?
3. Nanotechnologie behandelt die ganz kleinen Dinge. Wieso wurde hier in Aufgabe 2 von der Astronomie gesprochen (also den ganz großen Dingen in unserem Universum) und wie hängt das zusammen? 
4. Was bedeutet die Abkürzung "IR" und was ist die umgangssprachliche Bezeichnung für "IR-Strahlung"?
5. Welche Wellenlänge hat die IR-Strahlung bei der IR-Spektroskopie?
6. Erkläre den Begriff "Resonanz".
7. Was ist eine "Resonanzkatastrophe"? Erläutere den Begriff und nenne das berühmte Beispiel aus dem betreffenden Video.
8. Was bewirkt die IR-Strahlung bei der Bestrahlung auf ein Atom?
9. Auf Folie (09) ist in der Abbildung die Funktionsweise der IR-Spektroskopie schematisch dargestellt. Erläutere die Abbildung und die Funktionsweise.
10. Moleküle können auf sehr unterschiedliche Art schwingen. Wir unterscheiden zwei grundsätzlich verschiedene Varianten. Zähle sie hier auf. (Siehe Folie 10)​

Videos:

1) → UV VIS Spektroskopie

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Videos:

1) → Erfolgreiche Auswertung einer EDX Analyse von einem Mineral

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Aufgaben:

1. Was bedeutet UV-VIS?
2. Beschreibe kurz die Vorgehensweise bei einer UV-VIS-spektroskopischen Untersuchung.
3. Was bedeutet EDX? 
4. Welche Aussage liefert eine EDX-Spektroskopie?

Videos:

1) → Die Welt der Atome

2) → Nanotechnologie: Wissenschaft der Zukunft oder moderne Alchemie? (NZZ Format 1999) [STM und AFM]

3) → Das Rastertunnelmikroskop

4) → Rastertunnelmikroskop: JohanneumSTM (Schulprojekt) (deutsche Version)

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Aufgaben:

1. Was versteht man unter „Lichtmikroskopie?“
2. Wie groß sind die kleinsten sichtbaren Strukturen bei der Lichtmikroskopie?
3. Wer hatte das STM erfunden?
4. Ein wichtiger Bestandteil des STM ist die Messspitze. Was ist das und wie groß ist der Abstand zur Probe?
5. Was wird bei der STM-Mikroskopie eigentlich gemessen um Informationen über die Oberfläche einer Probe zu erhalten?
6. Es gibt zwei „Mess-Moden“ wie heißen sie und wie funktionieren sie?
7. Warum muss die Probe bei einer Untersuchung normalerweise gekühlt werden?

Videos:

1) → Das Rasterkraftmikroskop

2) → Wie funktioniert STM, TEM, SEM & AFM Mikroskopie? [Compact Physics]

3) → Das magnetische Rasterkraftmikroskop, Teil 1

4) → 3DIT | Rasterkraftmikroskopie (AFM) von Zeiss

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Videos:

1) → Videos aus dem Rasterelektronenmikroskop

2) → Wie ein Elektronenmikroskop das Unsichtbare sichtbar macht

3) → Wie ein Elektronenmikroskop funktioniert - Winzlingen auf der Spur - Planet Schule - SWR

4) → Das Rasterelektronenmikroskop

5) → Was lebt in deinem Bett? Mikroskop im Einsatz REM - Rasterelektronenmikroskop | Phil's Physics

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Aufgaben:

1. Was ist ein „Cantilever“? Erläutere anhand einer Skizze und beschreibe dir Funktion.
2. Ein AFM kann grundsätzlich in zwei verschiedenen Betriebsmoden eingesetzt werden. Welche beiden Betriebsmoden sind das und was ist der Unterschied dabei?
3. Welchen Vorteil hat ein Rasterkraftmikroskop (AFM) gegenüber einem Rastertunnelmikroskop (STM)?
4. Nenne die wichtigsten Bestandteile eines Rasterelektronenmikroskops (REM).
5. Zur Untersuchung mit einem Rasterelektronenmikroskop wird die Probe zunächst vorbereitet. Was wird dabei gemacht?
6. Aus welchem Grund muss die Probe beim REM in einer Vakuumkammer untersucht werden?
7. Zwischen einem Rasterelektronenmikroskop und einem herkömmlichen Lichtmikroskop gibt es Unterschiede und Gemeinsamkeiten. Nenne jeweils zwei Beispiele.
8. Es können auch chemische Untersuchungen mit dem REM vorgenommen werden. Welchen Vorteil bietet das REM dabei?

Videos:

1) → Transmission Electron Microscope TEM demo session

2) → Transmission Electron Microscopy (TEM) basics

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Quellenangaben zu den Inhalten auf dieser Seite

Dieser Text basiert auf dem Artikel Nanotechnologie aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der Lizenz Creative Commons CC-BY-SA 3.0 Unported (Kurzfassung). Der Text wurde von Andreas Rueff überarbeitet und auf der Grundlage didaktischer Überlegungen angepasst und gekürzt. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.

Hintergrundbild: Eigenes Bild (A. Rueff)