Nanofasern und Nanoröhrchen - Max-Planck-Institut für ...

POLYMERFASERN
| NANOTECHNOLOGIE
kombinieren. Je nach angestrebter Anwendung können solche
Strukturen aus Kunststoffen, Metallen, Keramiken oder
Gläsern aufgebaut und ihre Architektur einfach (kompakte
Faser, Hohlfaser) oder komplex (Multischichtaufbau aus
unterschiedlichen Materialien) sein.
Benötigt werden somit Herstellungsmethoden für eindimensionale
Nanostrukturen, die es ermöglichen
– nanostrukturierte Systeme für eine Vielzahl unterschiedlicher
Materialien zu realisieren,
–komplexe Architekturen zu erzeugen, z.B. nanoskalige
Gradientenstrukturen,
–komplexe Topologien zu erzeugen, um beispielsweise
spezifische Absorption zu erreichen oder zu vermeiden,
– Funktionen in Nanoobjekte zu integrieren,
– unterschiedliche Texturen (parallel, als Filz,
als Gewebe) zu erzeugen,
– eine Integration in größere Systeme vornehmen zu
können,
– möglichst hohe Umsätze zu erreichen.
Zugeschnitten auf diese Anforderungen wurden in
jüngster Zeit, aufbauend auf der Verwendung organischer
Polymere, eine Reihe von Verfahren entwickelt, die die Herstellung
nanostrukturierter Funktionseinheiten wie Fasern,
Stäbe, Röhrchen und Kabel mit hoher Komplexität aus den
unterschiedlichsten Materialien (anorganische Gläser, Metalle,
synthetische und natürliche Polymere) erlauben. Auch
IN DER AKTUELLEN DISKUSSION
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Nanowissenschaft und Nanotechnologie werden derzeit nicht nur unter Wissenschaftlern
heiß diskutiert [1]. Dieses Thema fasziniert, ruft aber auch unterschwellige Ängste
hervor. Der Grund hierfür dürfte sein, dass Nanoobjekte so unvorstellbar klein sind, dass
man sie weder mit dem Auge noch mit dem Lichtmikroskop erkennen kann. Vermehrt
treten Personen und Organisationen auf, die vor der Nanotechnologie im Allgemeinen
warnen. Diese Sorgen müssen von den Wissenschaftlern ernst genommen und
glaubwürdig diskutiert werden, auch hinsichtlich toxikologischer Fragen, will man nicht
ähnliche Akzeptanz-Probleme wie bei der Gentechnologie bekommen [2].
Jedoch werden auch die großen Chancen gesehen, welche die Nanowissenschaft eröffnet.
Von dem Nobelpreisträger Heinrich Rohrer stammt folgender, anlässlich der Eröffnung
der Messe Nanofair 2003 in der Schweiz getätigte Ausspruch:
„Die Nanotechnologie wird unser Leben in nicht geringerem Maße revolutionieren, als es
die Mikroelektronik im vergangenen halben Jahrhundert getan hat. Nur die, die sich jetzt
engagieren, werden diejenigen sein, die die Zukunft gestalten. Lasst uns die Gelegenheit
ergreifen.“
Gegenwärtig werden hohe Summen in die Weiterentwicklung der Nanotechnologie
investiert, wobei nicht nur Länder wie USA, Europa oder Japan, sondern auch China,
Südkorea und Australien eine bedeutende Rolle spielen. Die Markterwartungen für die
nächsten Jahre liegen im Bereich vieler 100 Milliarden bis hin zu Billionen US-Dollar.
Dabei werden segensreiche Fortschritte nicht nur bei der Veredelung von unterschiedlichsten
Oberflächen erwartet, sondern beispielsweise auch in der Umwelttechnik, Optik
oder Medizin [3].
EINE QUERSCHNITTSTECHNOLOGIE
Die Reduktion der Abmessungen von Objekten in den Bereich von Nanometern ist ein
faszinierender und universeller Ansatz zur Erzeugung neuer Eigenschaften und Funktionen
bei unverändertem chemischen Aufbau des Materials. Die Nanotechnologie ist daher
eine Querschnittstechnologie, mit Auswirkungen auf so unterschiedliche Gebiete wie die
Medizin oder Pharmazie, die Elektronik, Optik, Sensorik, Informationstechnologie und
die Katalyse.
Die makroskopische Welt wird durch die klassische Physik beschrieben, die mikroskopische
Welt einzelner Atome und Moleküle durch die Quantenchemie. Die Anzahl der
Atome oder Moleküle, die das Nanoobjekt bilden, verringert sich dabei von einer Größenordnung
von 10 21 für makroskopische Systeme auf bis zu einige 100. In diesem mesoskopischen
Größenbereich (Abbildung 1) treten neuartige physikalische Phänomene auf.
Dies hat eine Fülle von Konsequenzen, die bei Materialien wie Halbleitern oder Metallen
besonders ausgeprägt sind: Bei Halbleiter-Nanopartikeln treten Quanteneffekte auf, die
sich in stark veränderten elektronischen und optischen Eigenschaften widerspiegeln [4].
Man spricht von Quantentrögen (zweidimensionale Strukturen, dünne Filme), Quantendrähten
(eindimensionale Strukturen) oder Quantenpunkten (nulldimensionale Strukturen).
Mit den Quantenpunkten und ihren möglichen Anwendungen beschäftigt sich der
Aufsatz von Prof. Schmid in diesem Heft.
Dieser Beitrag befasst sich vorrangig mit synthetischen Polymeren. Wegen der im
Vergleich beispielsweise zu anorganischen Halbleitern wesentlich größeren Lokalisierung
der Elektronen an einzelnen Atomen darf man hier keine ausgeprägten Quanteneffekte
erwarten. Dafür treten bei organischen Materialien beim Übergang von makroskopischen
Objekten zu solchen mit Abmessungen im Nanometer-Bereich andere interessante
Veränderungen auf: So nimmt bei Fasern und Filmen das Verhältnis von Oberfläche zu
Volumen sehr stark zu. Oberflächen/Massen-Verhältnisse von vielen 100 m 2 /g, wie sie
mit nanostrukturierten Materialien problemlos erreicht werden können, haben für
Anwendungen in den Bereichen Adsorption, Aktivfilterung und heterogene Katalyse
entscheidende Vorteile, da die Effizienz derartiger Prozesse von der Größe der zur Verfügung
stehenden Oberfläche abhängt.
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Abb. 1 Nanotechnologie findet am Übergang von der makroskopischen
zur mikroskopischen Welt statt, im mesoskopischen
Bereich. Dieser ist sowohl über eine zunehmende
Miniaturisierung (Top-down) als auch über Konstruktionen
ausgehend von einzelnen Molekülen (Bottom-up) zugänglich.
Chem. Unserer Zeit, 2005, 39, 26 – 35 www.chiuz.de © 2005 Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim
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