Einblicke in die Welt des Kleinen mit 3D-Animationen und virtuellen Experimenten im Gebiet der Nanowissenschaften

Dr. T. Gyalog, Dr. M. Guggisberg


Folien herunterladen: Folien.pdf

Zusammenfassung

Die Nanowelt ist die Welt der einzelnen Atome und Moleküle, in der die traditionellen naturwissenschaftlichen Disziplinen Physik, Chemie und Biologie (einschliesslich der molekularen Medizin) verschmelzen. Dort treten neue und verblüffende Eigenschaften und Prozesse auf, die Potenzial für neue und vielfältige Anwendungen bieten. Virtuelle Experimente helfen, zukünftige Anwendungen zu simulieren und zu visualisieren. Die ungewöhnlichen Eigenschaften der neuen Kohlenstoff-Materialien wie hohe Reissfestigkeit, selektive elektrische Leitfähigkeit und hohe Elektronen-Emission bei geringer angelegter elektrischer Spannung führen zu neuen Anwendungen wie mechanischer Verstärkung, neuen Transistoren, flachen Bildschirmen, neuen Licht- und Röntgenquellen.

Vom Wassertropfen zum Rasterkraftmikroskop

Schon im Mittelalter verwendete man die vergrössernde Wirkung von Wassertropfen, um feine Strukturen in der Natur zu beobachten. Antoni van Leeuwenhoek aus dem niederländischen Städtchen Delft war um 1674 der erste Mensch, der den Wassertropfen selbst unter einem einfachen Mikroskop betrachtete und so die winzigen Lebewesen darin entdeckte. Um 1608 hatte als erster der Niederländer Zacharias Jansen zufällig entdeckt, dass zwei hintereinander gehaltene Vergrößerungslinsen ihre Wirkung vervielfachten. Aber erst Leeuwenhoek erkannte, dass im Reich des Allerkleinsten eine Fülle von Wundern und Geheimnissen verborgen war, die nur mit Hilfe des Mikroskops entdeckt werden konnte. Mit seinem vergleichsweise primitiven Gerät entdeckte er beispielsweise auch den Feinbau von Insekten, die roten Blutkörperchen und Bakterien. Zu dieser Zeit entstand auch der Name 'Mikroskop', und zwar aus den zwei griechischen Wörtern mikro ('klein') und skopein ('schauen'). Seither wurde das Lichtmikroskop ständig erweitert und verbessert. Doch die Vergrösserung stiess schon bald an ihre ultimative Grenze. Der Traum, jemals ein einzelnes Atom unter dem Mikroskop beobachten zu können, schien technisch unerreichbar - bis zur Entwicklung des Rastertunnelmikroskops im Jahr 1981. Das Rastertunnelmikroskop, die modernste Form eines Mikroskops, ist eine Schweizer Erfindung. Es wurde von Heinrich Rohrer, Gerd Binning und Christoph Gerber erfunden und erzielt Vergrösserungsfaktoren von rund 100'000. Heinrich Rohrer und Gerd Binning erhielten dafür 1986 den Nobelpreis. Seit den achtziger Jahren wird diese Technologie weiter entwickelt. Heute existiert eine ganze Reihe von ähnlichen Instrumenten, so genannte Rastersondenmikroskope.

Das Rastersondenmikroskop - Blindenstock der Nanotechnologen

Analog zum Elektronenmikroskop (Markus Dürrenberger, 22.10.2008, SeniorenUni) rastert das Kraftmikroskop einen Bereich Punkt für Punkt ab. Es nutzt die winzige Elektronenwolke, die ständig jeden Gegenstand umgibt. Das Rasterkraftmikroskop analysiert aber nicht die vom Objekt reflektierte oder gestreute Strahlung, sondern funktioniert mit einer extrem feinen Nadel: Diese wird nah an die zu untersuchende Oberfläche herangeführt, ohne diese zu berühren. Die Elektronenwolken von Nadel und Präparat überlappen sich und die Wechselwirkung zwischen Nadel und Präparat wird gemessen. Die aufgenommenen Daten werden in der parallel laufenden Bildverarbeitung ausgewertet und als dreidimensionales Bild dargestellt. Mit dem Rastertunnelmikroskop kann das Unsichtbare sichtbar gemacht werden. Einzelne Atome und Moleküle können beobachtet werden. Neue Materialien, wie das Fussballmolekül aus 60 Kohlenstoffatomen mit dem Durchmesser von 1 Nanometer, können untersucht und angeordnet werden.

Der Natur auf die Finger geschaut

Die Nanowissenschaften haben sich in den letzten 25 Jahren rasant entwickelt. Das Hauptinteresse gilt dabei weniger der reinen Abbildung kleinster Systeme, sondern vielmehr der synthetischen Konstruktion neuer Nano-Systeme. Auf der Nanoskala finden die meisten biologischen Prozesse statt. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler versuchen, die Konzepte der Natur zu verstehen, nachzubilden und auf andere Systeme anzuwenden. Insbesondere in der Computertechnologie und in der Medizin eröffnen sich dadurch ungeahnte neue Dimensionen.

Literatur und Internetlinks
http://www.nanoscience.ch/
http://goodpractice.epistemis.com/
http://image3d.epistemis.com