Wie die Nanotechnologie unsere Zukunft sichern kann
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In den letzten 70 Jahren haben sich unser Leben und unsere Arbeit durch zwei kleine Erfindungen gewandelt. Der elektronische Transistor und der Mikrochip sind das, was all die moderne Elektronik möglich macht, und seit ihrer Entwicklung in den 1940er Jahren wurden sie immer kleiner.

Heute kann ein Chip ganze 5 Milliarden Transistoren enthalten. Wenn Autos die gleiche Entwicklung durchlaufen hätten, wären wir jetzt in der Lage, sie mit 300.000 Stundenmeilen zu fahren und sie würden jeweils nur 3 Euro kosten.

Aber um diesen Progress am Laufen zu halten, müssen wir in der Lage sein, Schaltungen auf der extrem kleinen Skala, der Nanometer-Skala zu bauen. Ein Nanometer (nm) ist ein Milliardstel Meter, und darum bedeutet diese Art von Technik die Handhabe von einzelnen Atomen. Wir können dies tun, zum Beispiel indem wir einen Elektronenstrahl auf ein Material abfeuern, oder indem wir es verdampfen und die entstehenden gasförmigen Atome Schicht für Schicht auf eine Unterlage aufbringen.

Die wirkliche Herausforderung ist, solche Techniken zuverlässig zu nutzen, um funktionierende nanoskalige Geräte herzustellen. Solche physikalischen Eigenschaften der Materie, wie ihr Schmelzpunkt, elektrische Leitfähigkeit und chemische Reaktivität, unterscheiden sich im Nanobereich sehr, so ein Gerät zu verkleinern, kann Auswirkungen auf seine Leistung haben. Wenn wir diese Technologie beherrschen, wie auch immer, dann werden wir die Möglichkeit haben nicht nur die Elektronik, sondern alle möglichen Bereiche des modernen Lebens zu verbessern.

1. Körpereigene Ärzte

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Tragbare Fitness-Technologie bedeutet, dass wir unsere Gesundheit durch das Umschnallen von Geräten selbst überwachen können. Es gibt sogar ein Prototyp elektronischer Tattoos, die unsere Vitalparameter abtasten können. Aber indem wir diese Technologien verkleinern, könnten wir noch weiter gehen, indem wir winzige Sensoren in unseren Körper implantieren oder injizieren. Dies würde viel detailliertere Informationen mit weniger Aufwand für den Patienten erfassen, so dass die Ärzte ihre Behandlung personalisieren können.

Die Möglichkeiten sind endlos und reichen von der Überwachung von Entzündungen und postoperativer Genesung bis zu exotischeren Anwendungen, bei denen elektronische Geräte tatsächlich mit unserem Körper Signale austauschen um Organfunktionen zu steuern. Obwohl diese Technologie wie ein Ding der fernen Zukunft klingen mag, arbeiten bereits Milliarden Unternehmen im Gesundheitswesen wie GlaxoSmithKline an Möglichkeiten so genannte „Elektrozeutika“ zu entwickeln.

2. Sensoren, überall Sensoren

Diese Sensoren basieren auf neu erfundenen Nanomaterialien und Herstellungstechniken, um sie kleiner, komplexer und energieeffizienter zu machen. Beispielsweise können Sensoren mit sehr guten Funktionalitäten nun auf flexiblen Kunststoffrollen in großen Mengen zu geringen Kosten gedruckt werden. Dies eröffnet die Möglichkeit, Sensoren an vielen Punkten über kritischen Infrastrukturen zu platzieren um ständig zu überprüfen, ob alles richtig läuft. Brücken, Flugzeuge und sogar Kernkraftwerke könnten davon profitieren.

3. Selbstheilende Strukturen

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Wenn sich Risse bilden, könnte die Nanotechnologie eine weitere Rolle spielen. Das Verändern der Struktur von Materialien im Nanobereich kann ihnen einige erstaunliche Eigenschaften verleihen, indem man ihnen eine Textur gibt, die zum Beispiel Wasser abstößt. In Zukunft werden nanotechnologische Beschichtungen und Additive selbst das Potenzial dazu haben, es möglich zu machen, dass Materialien „heilen“, wenn sie beschädigt wurden oder abgenutzt sind.

Zum Beispiel bedeutet es Nanopartikel im gesamten Material fein zu verteilen, dass sie in Risse wandern können, die sich gebildet haben, um sie zu füllen. Damit könnten selbstheilende Materialien für alles hergestellt werden, von Flugzeugcockpits zur Mikroelektronik, bei denen einer Vergrößerung kleiner Frakturen zu problematischeren Rissen vorgebeugt werden kann.

4. Big Data ermöglichen

Alle diese Sensoren werden mehr Informationen produzieren als wir je zuvor zu bewältigen hatten, also brauchen wir eine Technologie, um sie zu verarbeiten und um Muster zu erkennen, die uns auf Probleme aufmerksam machen. Das gleiche gilt, wenn wir die riesigen Datenmengen von Verkehrssensoren verwenden möchten, um bei der Stauregulierung zu helfen und um Unfälle zu vermeiden, oder Verbrechen zu verhindern, indem wir Statistiken für eine effektivere Verteilung polizeilicher Ressourcen nutzen.

Hier hilft Nanotechnologie ultradichte Speicher zu schaffen, die es uns ermöglichen, diese Fülle an Daten zu speichern. Aber es bietet auch eine Inspiration für ultra effiziente Algorithmen für die Verarbeitung, die Verschlüsselung und die Übertragung von Daten, ohne die Zuverlässigkeit zu beeinträchtigen. Die Natur hat mehrere Beispiele von der Verarbeitung großer Datenmengen, die von winzigen Strukturen effizient in Echtzeit durchgeführt wird, wie beispielsweise die Teile des Auges und des Ohrs, die externe Signale in Informationen für das Gehirn umwandeln.

Durch das Gehirn inspirierte Computer-Architekturen könnten die Energie auch effizienter nutzen, und so würde weniger mit überschüssiger Wärme gekämpft werden müssen – einem der wichtigsten Probleme bei der weiteren Verkleinerung von elektronischen Geräten.

5. Bewältigung des Klimawandels

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Der Kampf gegen den Klimawandel bedeutet, dass wir neue Wege brauchen Strom zu erzeugen und zu verwenden und Nanotechnologie spielt bereits eine Rolle. Es hat geholfen, Batterien zu bauen, die mehr Energie für Elektroautos speichern und es Sonnenkollektoren erlauben, mehr Sonnenlicht in Strom umzuwandeln.

Den beiden Anwendungen gemeinsamer Trick ist, die Nanostrukturierung oder Nanomaterialien (z.B. Nanodrähte und Kohlenstoff-Nanoröhrchen) zu verwenden, die eine flache Oberfläche in eine dreidimensionale mit einer viel größeren Fläche umwandeln. Dies bedeutet, dass mehr Raum für die Reaktionen vorhanden ist, die Energiespeicherung oder -erzeugung ermöglichen, so dass die Geräte effizienter arbeiten.

In Zukunft könnte die Nanotechnologie auch Objekte ermöglichen, die Energie aus ihrer Umgebung gewinnen werden können. Derzeit werden neue Nano-Materialien und -konzepte entwickelt, die Potential für die Erzeugung von Energie aus Bewegung, Licht, Temperaturschwankungen, Glukose und anderen Quellen mit hohem Umwandlungswirkungsgrad zeigen.

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