Nanowissenschaften

Grundidee

Nanowissenschaften sind Forschungsgebiete, die sich mit Materialien im Nanometer-Maßstab befassen. Ein Nanometer ist der milliardste Teil eines Meters; eine Milliarde Nanometer ergeben also einen Meter. In dieser Größenordnung geht es um Atome, Moleküle und Cluster, die teilweise einzeln mit besonderen Methoden untersucht, bewegt oder neuartig genutzt werden.

Wichtig für das Verständnis sind vor allem Quantenmechanik und Oberflächenchemie. Die Quantenmechanik beschreibt physikalische Vorgänge auf sehr kleinen Skalen, etwa bei Atomen und Molekülen. Oberflächenchemie untersucht chemische Vorgänge an Oberflächen, die im Nanobereich besonders wichtig werden.

Anwendungen und Kritik

Zu den Nanowissenschaften können Teile der Chemie, Physik und Biologie gehören, wenn sie Moleküle selbst und ihre Handhabung untersuchen. Der Begriff wurde ursprünglich vor allem für die Materialwissenschaften eingeführt.

Mit Nanowissenschaften ist auch die Vorstellung unsichtbar kleiner Maschinen verbunden. Experimentell wurde gezeigt, dass Nanoteilchen, einzelne Moleküle und Atome mit speziellen Nanowerkzeugen bewegt werden können. Beispiele für solche Werkzeuge sind das Rasterkraftmikroskop und die Optische Pinzette. Ein bekanntes Beispiel ist die Gruppe von Don Eigler bei IBM, der es 1989 gelang, ein Firmenlogo mit Xenon-Atomen darzustellen.

Es gibt auch Kritik am Gebrauch des Begriffs „Nano“. Vereinzelt wird bemängelt, dass er häufig als Schlagwort eingesetzt werde, um Forschung attraktiver erscheinen zu lassen oder Forschungsmittel einzuwerben. Deshalb wird gefordert, den Begriff Nanowissenschaft nur für Forschung zu verwenden, bei der sich bestimmte Eigenschaften, zum Beispiel Werkstoffeigenschaften, bei Verkleinerung in den Nanometerbereich auf besondere Weise verändern.

Sichtbarmachung

Strukturen auf der Nanometerskala können mit herkömmlichen optischen Mikroskopen nicht ausreichend aufgelöst werden. Ihr Auflösungsvermögen reicht dafür nicht aus.

Geeignet sind Elektronenmikroskope und Rastersondenmethoden. Zu diesen Methoden gehören das Rastertunnelmikroskop und das Rasterkraftmikroskop. Unter günstigen Bedingungen können solche Verfahren eine atomare Auflösung erreichen, also einzelne atomare Strukturen sichtbar machen.

Teilgebiete

Zu den Differenzierungsbereichen gehören Nanotechnologie, Nanomechanik und Molekülmechanik, Nanoelektronik sowie Nano-Optik. Diese Bereiche unterscheiden sich danach, welche Eigenschaften, Bewegungen, elektronischen Vorgänge oder optischen Erscheinungen im Nanometer-Maßstab untersucht oder genutzt werden.