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Nanotechnologie: Die Zukunft hat begonnen

naDie Nanotechnologie als Wissenschaft fliegt unter dem Radar der Öffentlichkeit und hat bisher eher unrühmliche Schlagzeilen gemacht. Die meisten denken dabei mit ungutem Gefühl an Nanopartikel in Haushaltsprodukten oder selbstreplizierende KI-Roboter. Doch die Forschungen im Bereich des Allerkleinsten haben durchaus Potenzial und könnten zu völlig neuen Materialien und Prozessen führen, die effizientere Anwendungen in sämtlichen Bereichen ermöglichen – von nachwachsenden Gehirnzellen über selbstentfaltende Materialien bis hin zur Stromerzeugung. Wir haben für Sie in einer News-Rundschau einige wichtige Entwicklungen der vergangenen Jahre zusammengestellt.

Warum Nanotechnologie mehr ist als ein Modewort

Sicher haben auch Sie den Begriff „Nanotechnologie“ in den letzten paar Jahren oft gehört – viel zu oft nach meinem Geschmack. Plötzlich ist alles nano, von wasserabweisenden Produkten über Staubfilter bis hin zu neuesten medizinischen Hilfsmitteln zur Verabreichung von Medikamenten.

Ich werde oft gefragt, was Nanotechnologie ist und ob sich dieses Schlagwort überhaupt auf etwas Reales bezieht. Nun denn: Einfach ausgedrückt bedeutet Nanotechnologie die Arbeit mit Materialien im Maßstab eines Milliardstelmeters. Die Vorsilbe „Nano“ bezeichnet ein Milliardstel und ist Teil der wissenschaftlichen Messskala.

Leider haben sich die Massenmedien den Begriff Nanotechnologie (oder „Nanotech“, wie sie gerne schreiben) unter den Nagel gerissen und ihn so häufig gebraucht und hochgejubelt, dass er seine Bedeutung mittlerweile fast verloren hat. Kosmetikfirmen bewerben ihre Produkte beispielsweise mit Nanotechnologie, meinen aber damit Nanopartikel, keine Roboter in Nanodimensionen. Und dann gibt es natürlich noch die Panikmacher, die von „mikroskopisch kleinen Robotern“ fantasieren, die in einem hypothetischen Weltuntergangsszenario die gesamte Materie des Planeten assimilieren und diesen in „Graue Schmiere“ verwandeln.

Tatsächlich müssen wir uns über die möglichen Umweltauswirkungen nicht fachgerecht entsorgter Nanomaterialien Gedanken machen. Aus diesem Grund werden die Toxikologie dieser Materialien sowie Regulierungsfragen zu ihrer Verwendung und Beseitigung weiterhin heftig diskutiert.

Doch es geht nicht nur um mikroskopisch kleine Partikel: Die Nanotechnologie ist ein breit gefächertes Gebiet, das auch Forschungen und Erfindungen abdeckt, die sich der im Nanomaßstab vorkommenden Quanteneffekte bedienen. Da nano­skalige Materialien und Teilchen so klein sind, wirken sich die Quanten­effekte hier stärker aus und lassen sich dazu nutzen, vollständig neuartige und dünnere Materialien zu erzeugen. Der Begriff „Quanteneffekte“ bezeichnet in diesem Zusammenhang Materialeigenschaften, die Schmelzpunkt, Fluoreszenz, elektrische Leitfähigkeit und chemische Reaktivität beeinflussen. So gibt es im Nanomaßstab zum Beispiel neuartige optische Eigenschaften – also Reaktionen zwischen Licht und Material –, die für Anwendungen wie Nano-Barcodes eingesetzt werden können.

Die natürliche Version der Nanotechnologie sind Viren und Naturstoffe (= Biomoleküle) wie die DNS. Auf Letzterer ist zwar der genetische Code gespeichert, aber sie lässt sich auch zur Erzeugung von Nanodrähten einsetzen – und als Verbindungsbrücke zwischen verschiedenen Teilchen.

Ein Großteil der Nanotech-Forschung ist interdisziplinärer Natur (das heißt, sie verlangt Methoden und Denkweisen aus verschiedenen Fachrichtungen) oder gar transdisziplinär (das heißt, sie folgt dem Prinzip integrativer Forschung). Sie erfordert ein Verständnis der anorganischen und organischen Chemie, der Elektronik, der analytischen Chemie, der Oberflächenchemie, der Proteinchemie und -struktur, der Nukleinsäurechemie (sowohl DNS als auch RNS), der Lipide (Fette) und vieler weiterer Bereiche.

In der Nanotechnologie müssen wir große Materialien nicht in allerkleinste Teile zerlegen, sondern versuchen, die kleinsten Teile mithilfe der Chemie von Grund auf zu erzeugen. Diese Arbeit kann manchmal durchaus langweilig wirken – aber wenn ein solches Verfahren zum ersten Mal funktioniert, ist das wie Magie.

Quelle: Upulie Diversekera, 01.06.18, https://tinyurl.com/y9suzqvl

Nanotechnologie für neuronale Schnittstellen

Neuronale Schnittstellen stellen eine direkte Verbindung zwischen dem Zentralnervensystem (ZNS) und einem eigenständigen, künstlich hergestellten digitalen System her. Diese Technologie ist der derzeit wahrscheinlich wichtigste Fortschritt in der Erforschung und Behandlung des Gehirns.

Man hat bereits verschiedene biomedizinische Geräte entwickelt, die dem Zentralnervensystem als neuronale Schnittstellen implantiert werden. Sie dienen zur Behandlung motorischer Störungen oder zur Umsetzung bewusster Abläufe im Gehirn in konkrete Aktionen, wobei externe Geräte zum Einsatz kommen.

Diese Schnittstellen fördern unser Wissen über die Neurophysiologie und können als klinische Hilfsmittel zur Erkennung und Behandlung neurologischer Symptome und Erkrankungen dienen. Sie haben das Potenzial, Menschen mit Behinderungen unabhängiger zu machen, indem sie sie mit ihren Gedanken diverse Geräte steuern lassen. Es ist kein Wunder, dass auch das Militär sehr daran interessiert ist, diese Technologie möglichst frühzeitig anzuwenden.

Neuronale Schnittstellen, die auch als Gehirn-Computer-Schnittstellen bezeichnet werden, können die Funktionen beschädigten neuronalen Gewebes erhalten, indem sie die Signale des Nervensystems in Daten übersetzen, die auch ein Computer verstehen kann. Ungeachtet der Bedenken über den Einsatz von Nanotechnologie in solchen Schnittstellen folgen sie alle ein und demselben umfassenden Konstruktionsprinzip: Sie sollen eine oder mehrere der drei miteinander zusammenhängenden biologischen Komplikationen beheben oder mildern, die sich bei neuronalen Funktionsstörungen ergeben – Fehlfunktionen der Sinnesorgane, den Verlust der Motorik oder durch eine Erkrankung hervorgerufene geistige Veränderungen.

Das erfolgreiche Funktionieren eines solchen Geräts hängt von einem Verständnis der bioelektrischen Transduktion, der neuralen Modulation durch Computerkalibrierung sowie der adaptiven Signalverarbeitung ab.

Auf diesem Gebiet werden bereits zahlreiche bedeutende Forschungen unternommen, indem man zum Beispiel Gehirn-Computer-Schnittstellen mittels Siliziumelektronik revolutioniert. Dies wird etwa im Rahmen eines DARPA-Projekts, dem Neural Engineering System Design (NESD), getan und soll zur Entwicklung einer implantierbaren neuro­nalen Schnittstelle führen, die eine hoch entwickelte Signalauflösung und eine schnelle Datenübertragung zwischen Gehirn und Elektronik bietet. Aktuell gibt es aber auch experimentelle Studien zur niedrigen Ladungsträgermobilität organischer Halbleiter, zu Stör­geräuschen in organischen Transistoren sowie zu In-vivo-Erfahrungen mit Implantaten.

Man rechnet damit, dass diese Projekte die Fähigkeit, neurophysiologische Signale zu erfassen, zu stimulieren und aufzuzeichnen, wesentlich verbessern wird. Dadurch könnte es zu einem Paradigmenwechsel in der Diagnose und Behandlung von Patienten mit ZNS-Beeinträchtigungen kommen.

Quelle: Michael Berger, 26.07.17, http://tinyurl.com/y7wbohua

Luftfilter mit Nanogeneratoren gegen Luftverschmutzung

Ein triboelektrischer Nanogenerator (TENG) ist ein Gerät, das mechanische Energie in Strom umwandelt, indem es die Kopplungseffekte zwischen der triboelektrischen Aufladung und der elektrostatischen Induktion nutzt, die sich durch die Kontakttrennung oder den relativen Schlupf zwischen zwei Materialien mit entgegengesetzter Reibungspolarität ergeben.

Den vollständigen Artikel können Sie in NEXUS 78 lesen. Die Ausgabe können Sie hier erwerben.