• Was bedeutet der Begriff Nano? Und wofür wird er gebraucht?
  • Was ist die Nanoskala? Welche Objekte befinden sich im Bereich der Nanoskala?
  • Warum beschäftigt man sich mit Nanotechnologie? Was macht diese so besonders?
  • Inwiefern unterscheidet sich die Quantenphysik von der klassischen Physik?
  • Verwendet man die Quantenmechanik oder die klassische Physik für die Beschreibung von Nanoteilchen/-strukturen?

Was bedeutet Nano?

Der Begriff Nano leitet sich von dem altgriechischen Wort nános ab und bedeutet übersetzt Zwerg. In den Naturwissenschaften wird Nano als Einheitenvorsatz für Maßeinheiten verwendet, wobei es die Bedeutung eines Milliardstels einer Einheit übernimmt, also das $10^{-9}$ fache. Einige Beispiele sind:

  • Nanometer: 1nm \(\widehat{=}\) 0,000 000 001 m \(\widehat{=}\) \(10^{-9}\) m,
  • Nanosekunde: 1ns \(\widehat{=}\)  0,000 000 0001 s  \(\widehat{=}\) \(10^{-9}\) s,
  • Nanonewton: 1nN \(\widehat{=}\)  0,000 000 0001 N  \(\widehat{=}\) \(10^{-9}\) N,
  • etc.

Wie man sieht ist Nano eine Erweiterung der gängigen Einheitenvorsätze wie z.B. Kilo, Mega, Centi, Milli etc. (mehr zu Einheitenvorsätze findest du auch am Ende dieses Artikels: Die Maßeinheit von Masse). Um zu verstehen wieso man Einheitenvorsätze verwendet, versuch dich an der folgenden Aufgabe. Vermutlich wird es euch nicht schwer fallen, aber es soll den Zweck dieses Einheitenvorsatzes illustrieren.

Aufgabe 1: Die mittlere Distanz Erde-Sonne beträgt 149 600 000 km, welche in der Astrophysik als 1 Astronomische Einheit (AE) definiert wird. Der Radius der Erde beträgt 6 371 km. Gib den Durchmesser der Erde in AE und nAE (Nano Astronomische Einheit) an. Was fällt dir an diesem Ergebnis auf (Stichwort: Größenordnung)?

Der Einheitenvorsatz Nano dient also dazu, Zahlenwerte in einer kleineren Skala darzustellen. Einheiten und ihre Skala, auf der sie dargestellt werden, gehören zur Physik wie die Butter auf das Brot. Eine nackte Zahl in der Physik kommt (meist) nicht ohne zugehörige Einheit aus.

Doch welche Dinge findet man in der Größenordnung von Nano? Wie wir bereits wissen, beschäftigt sich die Nanophysik mit Objekten, deren Größe im Nanometerbereich (üblicherweise zwischen 1-100 nm) liegt. Oftmals werden aber auch Objekte, deren Dicke einige Nanometer beträgt und deren Länge und Breite z.B. im Millimeterbereich liegt, ebenfalls als Nanomaterial bezeichnet. Hier einige Beispiele für Nanoobjekte:

nanoscaleVergleich verschiedener Größenordnungen inklusive zugehörigen Beispielen.
Quelle: commons.wikimedia, User: Sureshbup, CC BY-SA 3.0

Typische Nanoobjekte sind etwa auch Moleküle, z.B. das Glucose-Moleküle (Traubenzucker) im Bereich von 1 nm oder Hämoglobin (roter Blutfarbstoff der Sauerstoff bindet) im Bereich von 5 nm. Darunter finden wir z.B. DNA-Stränge oder auch Viruszellen. Die Auflistung in der letzten Grafik geht bis zu einer Ameise, die eine Größe von etwa $10^{6}$ nm, also mehrere mm hat. Unterhalb der Nanoskala finden sich auch noch Beispiele. Einzelne Goldatome haben einen Durchmesser von etwa $0,3$ nm und ein Wassermolekül hat eine Ausdehnung von etwa $0,1$ nm. Natürlich sind Atome nicht die kleinsten Bausteine unserer Materie, sie bestehen aus Neutronen, Protonen und Elektronen, welche wiederum aus Quarks und Gluonen bestehen. Aber das ist ein anderes Thema, mehr Infos dazu findest du z.B. hier Phasendiagramme. Rechts im Bild sind typische Objekte der Nanowissenschaften dargestellt: Liposome sind Moleküle, die Biomembranen bilden; Dendrome sind Moleküle, die ausgehend von einem Kern eine Baumstruktur bilden; Fullerene, Carbon Nanotubes (Kohlenstoffnanoröhrchen) und Graphen bestehen alle aus Kohlenstoff und werden teilweise als die Wundermaterialien des 21. Jahrhunderts bezeichnet - vor allem Graphen werden wir in einem späteren Artikel etwas genauer diskutieren. Natürlich gibt es hier eine Vielzahl weiterer Beispiele. Eine gute Übersicht über Größenverhältnisse findest Du auch auf der Website Scale2 (die Website kann kostenlos mittels eines Webbrowsers aufrufen, es jedoch auch einen kostenpflichtige App für iOS erhältlich), die interaktives Zoomen zwischen verschiedenen Längenskalen erlaubt. Sie dir das doch einmal an und achte darauf, ob du ein paar Beispiele aus dem vorangegangenem Bild auf der Nanoskala dort wiederfindest.

Jetzt wissen wir also grob, mit welchen Objekten man auf der Nanoskala zu tun hat, doch was fängt man damit an?

Warum Nanotechnologie?

Nano bedeutet klein, sehr klein. Was ändert sich, wenn man sich auf diese kleine Längenskala begibt? Sind die physikalischen Gesetze aus unserem Alltag noch dieselben? Mit unserem Alltag meinen wir typischerweise die klassische Physik. Wenn du z.B. morgens mit dem Bus fährst, gehorcht diese Bewegung den Gesetzen der klassischen Physik - der Kraftschluss zwischen Reifen und Asphalt kann durch makroskopische Beobachtungen erklärt werden. Das sehr Kleine (Atome, Moleküle) wird z.B. durch die Quantenmechanik beschrieben - sie war die Konsequenz einiger Schlüsselexperimente Anfang des 20. Jahrhunderts, deren Ergebnisse man mit der damaligen Vorstellung der Natur nicht erklären konnte. D.h., wenn man sich auf kleine Größenskalen begibt, ändern sich die physikalischen Gesetze! Eine Vielzahl von berühmten Physikern hat an der Entstehung der Quantenmechanik mitgearbeitet, einer davon war z.B. auch der österreichischen Physiker Erwin Schrödinger. 1935 schlug er auch ein berühmtes Gedankenexperiment in Form eines Paradoxons vor, um die Ungewöhnlichkeit dieser neuen Theorie für kleine Längenskalen zu veranschaulichen:

Verwirrt? Keine Angst! Bereits der Nobelpreisträger Niels Bohr (Begründer des Bohr'schen Atommodells) hat gesagt: "Wenn man nicht zunächst über die Quantentheorie entsetzt ist, kann man sie doch unmöglich verstanden haben."

Versuchen wir die Idee von Schrödingers Katze auf ein anderes Beispiel zu übertragen. Die nächste Skizze soll diesen Unterschied illustrieren. Stellen wir uns wie abgebildet einen Ball auf einem Hügel vor, der jederzeit hinunter rollen könnte und sich somit in einem instabilem Zustand befindet. Früher oder später wird sich der Ball aus dieser Position wegbewegen, die klassische und Quantenphysik geben jedoch unterschiedliche Antworten auf die Frage: Wo bewegt sich der Ball hin?

Klassische Physik: In der Ausgangssituation ruht der Ball auf der Spitze des Hügels. Die beiden Fragezeichen, die nach links und rechts zeigen, sollen andeuten, dass sich der Ball in eine der beiden Richtungen bewegen kann. Die klassische Physik sagt nun, wenn man alle Einflüsse auf den Ball sowie den Hügel kennen würde, so könnte man vorhersagen in welche Richtung sich der Ball bewegen wird. Klar ist (aus unserer Sicht), dass sich der Ball nach genügend langer Zeit, nachdem er sich aus der Anfangsposition wegbewegt hat, in einem der beiden Täler zur Ruhe kommen wird (in unserem Beispiel im linken). Doch was sagt uns die Quantenphysik in diesem Fall?

 

classic vs quantum newSkizze zur Illustration des Unterschieds zwischen klassischer Physik und Quantenphysik - Determinismus und Wahrscheinlichkeitsinterpretation.
Alexander Grofer, (quant.uni-graz.at), CC BY-SA 4.0

Quantenphysik: Die Ausgangssituation für den Ball ist dieselbe - der Ball ruht auf einem Hügel zwischen zwei Tälern. Die Gleichungen der Quantenmechanik besagen nun, dass sich der Ball nach genügend langer Zeit in beiden Täler befinden wird (vgl. tote und lebendige Katze im Video). Dieser Sachverhalt wird durch die schattierte Kurve, die wir mit $\vert P(x) \vert^{2}$ bezeichnen, dargestellt. Es handelt sich hierbei um eine sogenannte Wahrscheinlichkeitsverteilung, d.h. sie sagt aus, wie wahrscheinlich es ist, den Ball innerhalb eines bestimmten Bereichs anzutreffen. Durch die Formel

$$ W(x_{L}, x_{R}) = \int_{x_{L}}^{x_{R}} \vert P(x) \vert^{2} \text{d} x $$

kann man berechnen mit welcher Wahrscheinlichkeit man den Ball im Bereich zwischen $x_{L}$ und $x_{R}$ finden kann.

Was heißt das nun? Es ist klar, dass sich der Ball irgendwo innerhalb der beiden Täler befinden muss, denn er kann ja nicht verschwinden. D.h. die Wahrscheinlichkeit, dass wir den Ball dort finden werden, wenn wir nachsehen, muss 100% sein - das können wir mit Sicherheit sagen. Doch wir können nicht sagen wo genau wir den Ball finden werden. Aufgrund der Symmetrie der Täler werden wir den Ball mit 50%iger Wahrscheinlichkeit im linken oder im rechten Tal finden. Gehen wir einen Schritt weiter: Wir können auch nicht sagen, dass sich der Ball genau am tiefsten Punkt in einer der beiden Täler befinden wird. Das würden wir wieder in der klassischen Welt erwarten, doch in der Quantenphysik ist das nicht der Fall - der Grund dafür ist die sogenannte Heisenberg'sche Unschärferelation.

Man kann hierzu eine sehr lange Diskussion führen, doch der Hauptunterschied zwischen der klassischen Physik und der Quantenmechanik sollte bereits ein bisschen klarer geworden sein. Die klassische Physik wird auch oft als deterministische Physik bezeichnet, d.h. man kann eindeutige Aussagen über Beobachtungen machen - also der Ball landet direkt im linken oder rechten Tal (nach genügend langer Zeit). Die Quantenphysik beruht jedoch auf einer Wahrscheinlichkeitsinterpretation - man kann nur Aussagen über Wahrscheinlichkeiten für das Auftreten von Ereignissen geben.

Aufgabe 2: Angenommen eines der beiden Täler, sagen wir das rechte, ist größer und tiefer ausgebrägt. Diskutiere mit deinen Mitschülern darüber was ihr denkt wie sich der Ball nun verhalten wird. Wo erwartest du dass der Ball im Fall (a) der klassischen Physik und im Fall (b) der Quantenphysik anzutreffen ist?

 

Benötigen wir nun die klassische Physik oder die Quantenphysik für die Beschreibung von Nanoteilchen und Nanotechnologien?

Die Antwort ist: Es kommt drauf an!

tropical butterflyBeispiel für die Nanotechnologie aus der Natur - blauer Morphofalter, Morpho peleides. Das strahlende Blau kommt nicht von einem Farbstoff, es wird durch eine spezielle Gitterstruktur der Flügel erzeugt.
Quelle: commons.wikimedia, User: Bilboq, public domain

Die Physik auf der Nanoskala, der Welt zwischen Molekülen und Atomen, spielt sich im Übergangsbereich zwischen der klassischen Physik unseres Alltags und der Quantenphysik ab. Die Objektgröße und der Versuchsaufbau im Labor bestimmen, welche Interpretation für die Beschreibung notwendig ist. Die Nanoskala erstreckt sich etwa von 1 nm bis 100 nm. Abhängig davon welche Objekte wir auf dieser Skala betrachten, müssen Quanteneffekte berücksichtigt werden oder nicht.

In späteren Kapiteln werden wir sehen, wieso und weshalb die Objektgröße die Physik und dadurch auch die Wechselwirkung mit der Umwelt beeinflusst. Ein kurzer Ausblick: Silberschmuck oder Silberbesteck ist für uns Menschen ungefährlich. Einzelne Silberatome können jedoch toxisch wirken und zum Abtöten von Viren eingesetzt werden. Ein weiteres Beispiel ist die elektrische Leitfähigkeit von Metallen. Auf der Nanoskala ändern sich die zugehörigen Gesetze und somit sind quantenmechanische Effekte dafür verantwortlich, dass unsere modernen elektronischen Geräte so leistungsstark sind. Die möglichen Anwendung der Nanophysik reichen von neuartigen Materialien wie Graphen, über die Möglichkeit Objekte unsichtbar zu machen (siehe Metamaterialien), bis hin zur Medizin, wo man neue Methoden der Krebstherapie basierend auf Nanoteilchen entwickelt.

Ein faszinierender Aspekt der Nanophysik ist auch, dass wir sie tagtäglich in unserer Natur beobachten können. Besonders die Wechselwirkung von Licht mit Nanostrukturen hat vielfältige Auswirkungen, z.B. bei alten Kirchenfenster, deren Rot- und Blautöne oft von eingebettetem Gold- und Silberstaub (Nano- oder Mikroteilchen) verursacht wird oder die Farben einiger Schmetterlinge, deren Flügel aus einem Nano- oder Mikrogitter bestehen und durch Lichtbeugung an diesem Gitter die Farben erzeugen.

Weiterführende Literatur zum Thema Nanoteilchen und Nanotechnologien:

- SCHODEK, Daniel L.; FERREIRA, Paulo; ASHBY, Michael F. Nanomaterials, nanotechnologies and design: an introduction for engineers and architects. Butterworth-Heinemann, 2009.

- WOLF, Edward L. Nanophysics and nanotechnology: an introduction to modern concepts in nanoscience. John Wiley & Sons, 2015.

- Weitere Informationen findet man z.B. auch auf der Website http://nanoinformation.at/, die vor allem nach dem Durcharbeiten dieses Moduls von Interesse sein könnte.

Merken

Suche

Seite drucken

Diese Seite teilen

Nach oben