Einheiteneinteilung in der Nanotechnologie muss überprüft werden

Computer-Simulationen der theoretischen Physik zeigen, dass Flüssigkeiten sich bei enger Eingrenzung anders verhalten, als die Forschung dies bisher angenommen hat

Uzi Landman, Direktor des Center for Computational Materials Science am Georgia Institute of Technology stellte seine Forschungen "nanoscale lubrication and fluid flow" auf dem Seminar für Nanotechnologie beim Treffen der American Association for the Advancement of Science (AAAS) in San Francisco vor.

Uzi Landman

Vergangenes Jahr erhielt Landman den Feynman-Preis für Nanotechnologie für seine Pionierarbeiten auf dem Gebiet der Computersimulation von Nanostrukturen.

Die Molekulartechnologie beschäftigt sich mit Maschinen und Computern, deren Größenordnung im Nanometerbereich (1 nm = 10-9 m) liegt, ein menschliches Haar ist etwa 10.000 Nanometer dick, nur um eine Größenordnung zu geben. Nanotechnologie basiert zu einem Großteil auf der supramolekularen Chemie, die sich mit der Synthese und der molekularen Handhabung komplexer, hochmolekularer Aggregate befasst. Anwendungen finden sich in v.a. in Robotik, Sensorik, Prozesstechnik und Biotechnologie.

Nanowerkzeuge sind technische Geräte im Maßstab von millionstel Millimetern, derartig unvorstellbar klein sind sie auf höchste Präzision angewiesen. Die funktionalen Einheiten und Bauelemente auf Nanometerskala werden Atom für Atom bzw. Molekül für Molekül aufgebaut und keine Abweichung ist zulässig.

Landman und sein Team haben nun in aufwendigen Computer-Simulationen festgestellt, dass Schmiermittel und Flüssigkeiten sich bei starker Eingrenzung auf atomarer und molekülarer Ebene nicht herkömmlichen Erkenntnissen gemäß verhalten. Die Geräte der Nanotechologie sind so klein, dass sie sich der Größe der Molekülen annähern, mit denen sie interagieren.

Energie und Entropie sorgen für ein verändertes Verhalten von schmierigen oder flüssigen Elementen, manche Moleküle sondern sich nach Größe geordnet voneinander ab, manche verhalten sich wie "soft solids" und verändern dadurch die Bewegung der Oberfläche. Es gibt auch Moleküle, die sich zwischen rauen Oberflächen eingeengt anders verhalten als zwischen glatten Oberflächen. Die Charakterisierung von Oberflächen auf molekularer und atomarer Skala ist ein wesentliches Kennzeichen der Nanotechnologie. Die Ergebnisse weisen darauf hin, dass sich schmierige oder flüssige Mengen auf Molekularebene anders verhalten als in bisher erforschter Masse größeren Maßstabs. Die Versuchsreihen müssen fort gesetzt werden, um künftige Einheiteneinteilungen von Nanomaschinen und -werkzeugen entsprechend anzupassen. Die direkte Kontrolle und Charakterisierung von Materie auf molekularer und atomarer Skala erfordert es auch, die besonderen Gesetze dieser Welt der Bausteine zu überprüfen. In der Nanometerdimensionen werden neue physikalische Effekte wirksam, die in den bis heute verfügbaren Technologien nicht von entscheidender Bedeutung sind. Bei der Verkleinerung von Bauelementstrukturen von der Mikro- zur Nanometerskala werden diese plötzlich sehr wichtig, wie z.B. Quanteneffekte bzw. Elektronenwelleninterferenzen.

Landmans Simulationen zeigen einmal mehr, dass die Nanotechnologie sehr viel mehr bedeutet als lediglich die Verkleinerung existierender mikroelektronischer Konzepte. "In the nanorealm there is a whole new world that is full of surprises and opportunities," sagt der Physiker.

Die Nanotechnologie steckt tatsächlich immer noch in ihren Kinderschuhen, Nanotubes sind erst seit 1991 bekannt, aber ihr Einsatzbereich ist potentiell sehr groß, da sie sämtliche Eigenschaften in sich vereinigen, die für die Elektronik wichtig sind.

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