ausgabe 2 2009 - nanoscience · 2015. 10. 5. · aus diesem grund wurde die ressort-übergreifende...

Editorial

Positives Image

der Nanotechnologie in den Medien

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Diese Erhebung deckt sich mit unseren eigenenErfahrungen nach der Veröffentlichung desPilotmagazins nanotechnologie aktuell imJahr 2008.

Beleganforderungen haben uns von Verbänden,Unternehmen aus Industrie, Handel und Hand-werk und vielen Berufsinformationszentren(BIZ), von Arbeitsagenturen vor Ort oder Lan-desagenturen für Arbeit erreicht. Nach derBekanntmachung über die Internetplattform„Lehrer-online“ haben wir uns insbesondereüber die Akzeptanz des Magazins in Real-schulen, Gymnasien und Berufsakademiengefreut.

Besonderen Dank für die Zusammenarbeit derzweiten Ausgabe an das BMBF, an das VDITechnologiezentrum, an die Nano- und Mate-rialinnovationen Niedersachsen (NMN) sowiean alle beteiligten Autorinnen und Autoren.

Peter Asel

Institut für Wissenschaftliche VeröffentlichungenRedaktionsleitung nanotechnologie aktuell

In Kooperation mit der ALPHA Informations-gesellschaft mbH

Eine Analyse der Berichterstattung über dasThema Nanotechnologie in deutschen Print-medien war Gegenstand eines Forschungs-projektes des Bundesinstituts für Risiko-bewertung (BfR), das durchgeführt wurde amInstitut für Kommunikationswissenschaft derWestfälischen Wilhelms-Universität Münster.Analysiert wurden knapp 1.700 Artikel ausZeitschriften und Zeitungen.

Prof. Dr. Dr. Andreas Hensel, Präsident des BfR:„Die Berichterstattung in den Medien spiegeltdas positive Image wider, das die Nanotechno-logie derzeit in der Bevölkerung genießt.“ DieAnalyse kann über die Homepage des BfR –www.bfr.bund.de – eingesehen werden undwird als kostenloser Download zur Verfügunggestellt.

n a n o t e c h n o l o g i e a k t u e l l


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Impressum

Bildnachweis Titel

„Nanoreisen“ • Quelle: VDI Technologie-zentrum GmbH, Düsseldorf

Die Informationen in diesem Buch sindsorgfältig geprüft worden, dennoch kannkeine Garantie übernommen werden. EineHaftung für Personen-, Sach- und Vermö-gensschäden ist ausgeschlossen. DiesesWerk ist urheberrechtlich geschützt. Diedadurch begründeten Rechte – insbeson-dere die des Nachdrucks, des Vortrags, derMikroverfilmung oder der Vervielfältigungauf anderen Wegen und der Speicherung inDatenverarbeitungsanlagen – bleiben auchbei nur auszugsweiser Verwendung vor-behalten. Eine Vervielfältigung des Werkesoder von Teilen des Werkes ist auch imEinzelfall nur in den Grenzen der gesetz-lichen Bestimmungen des Urheberrechtsder Bundesrepublik Deutschland vom 9. September 1965 in der jeweils gültigenFassung zulässig. Sie ist grundsätzlich ver-gütungspflichtig. Zuwiderhandlungen un-terliegen den Strafbestimmungen des Ur-heberrechts.

© Alpha-Informationsgesellschaft mbHund die Autoren für ihre Beiträge

Projekt-Nr. 096-116

nanotechnolgie aktuell

ISSN 1866-4997

April 2009

Idee, Konzeption und redaktionelle

Koordination

Institut für Wissenschaftliche Veröffent-lichungen (IWV)

Redaktionsleitung

Peter Asel (IWV)

Redaktionelle Mitwirkung

Dr. Waldemar Baron (VDI TZ)Anja Eppert (NMN)

Anzeigenverwaltung und Herstellung

ALPHA-Informationsgesellschaft mbHFinkenstraße 10D–68623 LampertheimTelefon +49 (0) 62 06 / 93 90Telefax +49 (0) 62 06 / 93 92 32Internet www.alphapublic.de

Layout

Theresia Herrmann (PR)Christian Seipp (Redaktion)Janine Wiegand (Titel)

Nanotechnologie gilt als eine der Schlüssel-technologien der Zukunft, an die sich hoheErwartungen für den technologischen, wirt-schaftlichen und gesellschaftlichen Fortschrittrichten. Aus diesem Grund wurde die ressort-übergreifende „Nano-Initiative – Aktionsplan2010“ ins Leben gerufen, welche die Aktivitätender Bundesressorts bündelt, um die Potenzialeder Nanotechnologie für mehr Wachstum undBeschäftigung gezielt zu nutzen. DasBundesministerium für Bildung und Forschung(BMBF) unterstützt dies durch seine Förde-rung, so wurden im Jahr 2008 Projekte zurForschung und Entwicklung der Nanotechno-logie mit etwa 165 Mio. Euro unterstützt. Hinzukommen institutionelle Förderung sowie Mittelweiterer Bundesressorts und einzelner Bun-desländer.

Innovationen in der Nanotechnologie bestim-men entscheidend die technologische Leis-tungsfähigkeit der deutschen Wirtschaft undprägen zunehmend unseren Alltag. Als beson-ders aussichtsreich gelten Anwendungen inBranchen wie Medizin-, Energie- und Umwelt-technik ebenso wie Optik und Elektronik. DasSpektrum reicht von schonenden und hoch-selektiven Krebstherapien, energiesparendenBeleuchtungssystemen über stabile Leichtbau-elemente bis hin zu winzigen Datenspeichernmit der Kapazität der deutschen Bibliothek.

Die Projektförderung in der Nanotechnologiesetzt auf eine effektive Zusammenarbeit vonWissenschaft und Wirtschaft. Dazu dienen Leit-innovationen orientiert an Leitmärkten, ar-beitsteilig organisierte Verbünde und Innova-tionsallianzen als strategische Partnerschaften

mit der Industrie. Diese reichen derzeit von derorganischen Photovoltaik über die Entwicklungneuer leistungsstarker Batteriegenerationenauf der Basis von Lithium-Ionen bis zur Nut-zung des Potentials von Carbon Nanotubes fürneue Wertschöpfungsketten in den BereichenEnergie, Mobilität und Umweltschutz.

Forschung, Entwicklung und Anwendung derNanotechnologie sind in hohem Maße auf en-gagierten Nachwuchs und hochqualifizierteFachkräfte angewiesen. Dazu gehört auch einebedarfsgerechte Weiterbildung, orientiert annanotechnologischen Herausforderungen. Ers-te Ergebnisse dazu liegen vor. Für die nächstenfünf Jahre erwarten kleine und mittlere Nano-Unternehmen einen Beschäftigungszuwachsum mehr als 15.000 Mitarbeiter mit entspre-chendem Weiterbildungsbedarf.

Eine Reihe von BMBF-Initiativen richtet sichdarauf, verstärkt Nachwuchs für die Nano-technologie zu gewinnen. Der nanoTruck desBMBF erreicht auf seiner Tour jährlich etwa100.000 überwiegend jugendliche Interessen-ten bundesweit. Seit 2002 fördert das BMBFhochqualifizierte Nano-Nachwuchswissen-schaftler mit mehr als 40 Mio. Euro über denWettbewerb NanoFutur. Seit 2005 ist dasNetzwerk nano4women aktiv, um Karrierenausgewählter Nano-Nachwuchswissenschaft-lerinnen zu unterstützen.

Die Beiträge im vorliegenden Magazin vermit-teln facettenreich das Nano-Engagement inForschung, Karriere und Kompetenz und spre-chen dankenswerterweise den interessiertenNachwuchs gezielt an.

Zum Geleit

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MinR’in Liane Horst

Bundesministerium fürBildung und Forschung

Editorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1Peter Asel • Presse- und Verlagsleitung ALPHA-Fachverlag

Zum Geleit . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3Liane Horst • Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)

FORSCHUNG

Magnetismus im Nanokosmos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10Heiko Fuchs • Roland WiesendangerSonderforschungsbereich 668, Universität Hamburg, Hamburg

Biomolecular motor systems – Novel applications in nanotechnology . . . . . . . . . . . . . . . . 18Stefan Diez • Jonathon HowardMax Planck Institute of Molecular Cell Biology and Genetics, Dresden

Krebsbekämpfung mit magnetischen Nanopartikeln . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28Christofer Radic • MagForce Nanotechnologies AG, Berlin

Nanostrukturierte Thermoelektrika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34Umweltfreundlicher Strom aus neuen Materialien

Johannes Kimling • William Töllner • Kornelius NielschInstitut für Angewandte Physik, Universität Hamburg, Hamburg

Innovationsallianz CNT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40Carbon Nanotubes eröffnen neue Dimensionen in der Werkstofftechnologie

Péter Krüger • Holger HoffschulzBayer MaterialScience AG, Leverkusen

Nano made in Germany – Rückblick auf die bisherigen Entwicklungen . . . . . . . . . . . . . . . 52Gerd Bachmann • VDI Technologiezentrum GmbH, Düsseldorf

Desinfektion mit nachhaltiger Hygienewirkung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56Der nanotechnologische Lösungsansatz

Hermann Schirra • sarastro GmbH, Quierschied-Göttelborn

KARRIERE

Studienprogramm NanoEngineering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60Konzept und erste Erfahrungen an der Universität Duisburg-Essen

Wolfgang Mertin • Gerd Bacher • Markus WintererUniversität Duisburg-Essen, Duisburg

Nanotechnologie in der CTA-Ausbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64Präparation und Analytik für die Nanotechnologie

Wolfgang Bodenstein • Edith Bertling-KampfAkademie Göttingen, Private Berufsfachschulen AKAge


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Inhaltsübersicht

NanoTruck-Initiative des BMBF – Konzept, Ausstellung, Tour . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72Waldemar Baron • Christian Busch • Michael GleicheVDI Technologiezentrum GmbH, Düsseldorf

Nanotechnologie studieren in Hannover . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78Kurzvorstellung des neuen, interdisziplinären Bachelor-Studienganges

und anschließenden Master-Studienganges

Fritz Schulze Wischeler • Laboratorium für Nano- und Quantenengineering, Hannover

Nano4women – Ein Karrierenetzwerk für Frauen stellt sich vor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82Ilka Bickmann • Ralf Wehrspohnc/o Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg

Nanotechnologie im Schulunterricht . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88Rolf Hempelmann • Walter Zehren • Matthias MallmannNanoBioNet e.V., Saarbrücken

Nano-Weiterbildungsbedarf . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92Ergebnisse einer Unternehmensbefragung

Lothar Abicht • Gerald Dubiel • Ekkehard Schlicht • Uwe Schumannisw Institut gGmbH, Halle/Saale

Gebündelte Kompetenz für Studium und Forschung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96Die Dresdner Werkstoffwissenschaft

Kerstin Dittes • MFD, c/o IFW, Dresden

KOMPETENZ

Nanoparticles for your purpose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100Frank Schröder-OeynhausenCentrum für Angewandte Nanotechnologie (CAN) GmbH, Hamburg

Hessen bringt Nanotechnologie auf den Punkt . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106Deutscher Spitzencluster im Rhein-Main-Gebiet

Alexander Bracht • Markus LämmerHA Hessen Agentur GmbH, Wiesbaden

nanoeva – The Center for Non-destructive Nano Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren, Dresden

Berufsfeld Nanotechnologie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114Expertenrunde beschreibt Wege

aus der Fachkräftemisere in Hochtechnologiefeldern

Martin Monzel • Christoph SchreyerNanoBioNet e.V., Saarbrücken

Nano zwischen Medizin und IT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118Jochen Feldmann • Gerhard AbstreiterNanosystems Initiative Munich, München

Rastersondenmikroskopie für die Ausbildung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126So bringt der Staat Nanotechnologie zum Nachwuchs

Rudolf Meeß • Hans U. DanzebrinkCC UPOB e.V. • Physikalisch-Technische Bundesanstalt, Braunschweig

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Alexander Illing, ein Jungunternehmer mit Be-geisterung für kleinste Materienstrukturen, setztsich ein ehrgeiziges Ziel, er will die unglaubli-chen Möglichkeiten dieser noch wenig bekanntenTechnologie nutzen um daraus Produkte für je-dermann zu entwickeln und herzustellen. Nachschweren Anfängen, herben Rückschlägen undviel Aufklärungsarbeit stellt sich inzwischen ste-tig wachsender Erfolg ein und beweist die Rich-tigkeit den Weg der Nanotechnologie unbeirrbarweiter zu verfolgen. Für die unterschiedlichstenOberflächen aus den verschiedensten Materia-lien werden für den Kunden im In- und AuslandProblemlösungen erarbeitet und Produkte her-gestellt. Ein Netzwerk von Forschungseinrich-tungen, sowohl in Schleswig-Holstein, als auchüberregional und zahlreiche Kooperationspart-ner aus der Industrie arbeiten mit nanoproofed®

Hand in Hand. Das Unternehmen wird unter sei-nen Kunden auch als Nanokompetenz-Zentrumim Norden benannt.

Der Leitspruch des Unternehmens lässt keinenZweifel an Kompetenz offen; „Wir sagen was

geht! womit und wie! mit nanoproofed® Tech-

nologie“

Im folgenden einige Punkte und Beispiele fürIhre Anwendungsmöglichkeiten;

1) nanoproofed® Automobil- und Motoren Versiegelung

2) nanoproofed® Elektronikschutz3) nanoproofed® Bautenschutz

Auch als kompetenter Netzwerkpartner fürNetzwerke wie NINA (Norddeutsche InnitiativeNanomaterialien) und NeMA (Netzwerk Mate-rialeffizienz) ist nanoproofed® ein innovativesUnternehmen, welches sich gerne engagiert undüber neuste Ergebnisse berichtet und herausFolgeprojekte entwickelt. Zudem wird nanoproo-

fed® unter dem Stichwort „Wirtschaft auf Kurs“und „Wirtschaftsland-Schleswig-Holstein“ vonder Landesregierung im Radio und in Schriftformausführlich präsentiert. Für weitere Infor-mationen hält nanoproofed® eine ausführlicheInternetseite bereit unter www.nanoproofed.org.

Q u e l l e : n a n o p r o o f e d

Kontakt:

nanoproofed®

Nanotechnische

Oberflächenversiegelung

Am Schmiedeberg 1b

23701 Süsel/Gothendorf

Tel.: 04521 776666

E-Mail: [email protected]

www.nanoproofed.org

nanoproofed® –Erprobte Anwendungender Nanotechnologie

Im Jahre 2001 beginnt

der Weg eines Familienunternehmens mit Zukunft

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Das PHOENIX Areal umfasst eine Gesamtflächevon rund 200 ha, die über hervorragende An-bindungen an die Autobahnen sowie den Flug-hafen Dortmund verfügt. PHOENIX See sowiedie Einbindung des Standortes in die Grün-achsen Rombergpark, Westfalenpark undEmscheraue bieten vielfältige Möglichkeitender Naherholung, Freizeitnutzung und Wohnenbzw. Arbeiten am See. Das zentral im Standortgelegene Stadtteilzentrum Hörde verbindet diebeiden Areale PHOENIX See und PHOENIX West.

In den zurückliegenden Jahren wurde PHOENIX

West als Standort für Mikro- und Nanotech-nologie, innovative Produktionstechnologie so-wie Software weiterentwickelt. An diesemStandort entsteht einer der größten Innova-tionsstandorte in Deutschland. Mit einer Ge-samtgröße von 110 ha wird PHOENIX West fürgewerbliche Technologieansiedlungen, Dienst-leistungen sowie Freizeitnutzung bei Integrationder ehemaligen Hochofenanlagen sowie einigendenkmalgeschützten Bestandsgebäuden her-gerichtet. Ziel ist hierbei, die denkmalgeschütz-ten Gebäude, Hallen und Anlagen einer neuenwerthaltigen Nutzung zuzuführen, sie als Land-marken in das Gesamtbild einzufügen und da-durch das Standortprofil in der überregionalenVermarktung zu stärken. Im nördlichen Teil desAreals befindet sich der PHOENIX Park, dernicht nur Naherholungsfunktionen überneh-men wird, sondern auch eine Verbindung vonbestehenden Parkanlagen und Renaturierungs-flächen bildet. Die Flächenaufbereitung der

Baufelder für den Technologiepark im Kernge-biet von PHOENIX West sind abgeschlossen. Ander Konrad-Adenauer-Allee wurde bereits einGrundstück für die erste private Neubauinves-tition an ein Unternehmen der Mikro- undNanotechnologie veräußert. Ferner konnte einweiteres Grundstück westlich des Gasometersfür eine gewerbliche Investition im Bereich derAntriebstechnik vermarktet werden.

Dortmund hat sich bundesweit einen hervorra-genden Ruf als führender Wirtschaftsstandortfür Mikro- und Nanotechnologie erworben. Die42 Dortmunder Unternehmen dieser Branchehaben Ende 2007 rund 2 200 Erwerbstätige be-schäftigt. Die Schnittstellen zwischen der Mikro-,Nano-, Bio- und Produktionstechnologie werdenin Dortmund gezielt besetzt und gefördert. DasPotenzial des neuen TechnologiestandortesPHOENIX West macht die MST.factory dortmunddeutlich. Das im April 2005 eröffnete Kompetenz-zentrum für Mikro- und Nanotechnologie ist dieerste Einrichtung dieser Art in ganz Europa. Miteinem Gesamtinvest von rund 50 Millionen Eurobietet es Existenzgründern und etablierten Unter-nehmen einen modernen Maschinenpark, Büro-,Labor- und Reinraumkapazitäten sowie techni-sche Infrastruktur für die Entwicklung innovativerProdukte. Bereits Ende 2006 wurde die MST.fac-tory dortmund mit dem EUROCITIES-Award in derKategorie „Innovation“ ausgezeichnet. Mit aktuell19 Unternehmen der Mikro- und Nanotechnologiesind die Kapazitäten der zwei Bauabschnitte derMST.factory dortmund ausgelastet.

Q u e l l e : W i r t s c h a f t s f ö r d e r u n g D o r t m u n d

Wenige Kilometer von der Dortmunder City entfernt entsteht ein neuer Standort

für innovative Technologien, Freizeit und moderne Arbeits- und Lebensformen:

PHOENIX Dortmund.

Kontakt:

Projektbüro PHOENIX

Konrad Hachmeyer-Isphording

Projektleiter

Töllnerstraße 9-11

D-44122 Dortmund

Tel.: +49 (0)231 50292-39

Fax: +49 (0)231 50292-18


www.phoenixdortmund.de

Standort für innovativeTechnologien

Analog zur MST.factory dortmund konnte imHerbst 2008 das Zentrum für Produktionstech-nologie fertiggestellt werden. Hierbei handelt essich um ein Zentrum speziell für die Inno-vationsförderung von Produktions- und Ferti-gungstechniken sowie die entsprechende Ent-wicklung marktfähiger Produkte. Das Interessean diesem neuen Kompetenzzentrum ist groß. Inder Anfangsphase haben sich bereits acht Erst-mieter Flächen im Gebäude gesichert – weitereAnfragen von Technologieunternehmen liegenbereits vor. Künftig sollen hier bis zu zwanzigkleine und mittlere Unternehmen tätig sein.

PHOENIX See ist der Standort am Wasser fürWohnen, Arbeiten und Freizeit in Dortmund.Innerstädtisch gelegen und eingebunden in denEmscher Landschaftspark entstehen rund umden 24 Hektar großen See moderne Wohn- undBüroanlagen, Einkaufsmöglichkeiten sowie Gas-

tronomie- und Dienstleistungsangebote. Die un-terirdischen Abbruchmaßnahmen sind in vollemGange. Die umfangreichen bergbaulichen Siche-rungsmaßnahmen werden bis Mitte 2009 been-det sein. Die Hanglage am Nordufer des Sees istfür das Wohnen in Eigenheimen und Doppel-haushälften vorgesehen. Das Südufer soll ge-prägt werden durch Büros und Arbeiten am See.Im östlichen Teilbereich werden weitere Flä-chen für den Wohnungsbau vorgehalten. An derWestseite des Sees, unmittelbar angrenzend andas Stadtzentrum des Stadtteils Hörde, entstehtein neues Dienstleistungszentrum am Ufer desPHOENIX Sees. Derzeit wird die Hörder Burg alsLandmarke für diesen räumlichen Bereichsaniert und als Entree für den See hergerichtet.

Weitere Informationen: www.phoenixdortmund.de

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AUTOREN

Heiko Fuchs und

Roland Wiesendanger


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Magnetismus im NanokosmosWir leben in einer Zeit, in der digitale Daten explosionsartig an Bedeutung ge-

wonnen haben. Egal ob es sich um wichtige Dokumente, Firmen-Präsentationen,

Lexika, elektronische Bücher, Fotos, Videos oder um Musik handelt – alles muss

digital abrufbar sein. Doch wohin mit all den elektronischen Daten? Herkömm-

liche Methoden der magnetischen Datenspeicherung sind bald an ihre Grenzen

gelangt und deshalb wird bereits jetzt mit Hilfe der Nanotechnologie an neuen

Datenträgern geforscht. Als wegweisend zeigt sich die Entwicklung neuartiger

magnetischer Datenspeichermethoden, basierend auf der Spinpolarisierten

Rastertunnelmikroskopie. Auf diesen zukünftigen Datenträgern werden die

Informationseinheiten in winzige Nanoinseln oder sogar in einzelne Atome ge-

schrieben und es können dann viele Millionen mehr Daten als auf heute üblichen

Festplatten gespeichert werden.

DIE HEUTIGE FESTPLATTE

Seit den Anfängen der Informationstechnologiehatten die Computer-Benutzer mit dem Spei-cherproblem zu kämpfen, denn der Platz aufDatenträgern war niemals ausreichend.

Seit Jahrzehnten hat sich die Kapazität derDatenträger immer wieder vervielfacht. Gleich-zeitig sind die äußeren Abmessungen der digi-talen Speicher immer kleiner geworden. MehrInformationen auf engsten Raum zu schreibenist nur möglich, wenn die Spitzen der Schreib-Lese-Köpfe und die kleinsten magnetischenBereiche, die so genannten Bits, immer kleinerwerden.

Das digitale Alphabet besteht aus nur zweiZeichen, „0“ und „1“, und ist daher ideal zurmagnetischen Codierung in Nord- und Südpolgeeignet. Ein Schreib-Lese-Kopf kann die Bitsbeliebig auf Nord- und Südpol ausrichten odereinfach abfragen (Bild 1).

Auf einer Festplatte aus dem Jahr 2000 warendie Bits etwa 20.000 nm2 groß, in aktuellen Ge-räten haben die Bits eine Größe von 2.500 nm2.Jahr für Jahr werden bessere magnetische Me-dien und feinere Schreib-Lese-Köpfe entwi-ckelt. Die Bits werden immer kleiner und könn-ten eines Tages nur noch ein Atom groß sein.

Allerdings beeinflusst das magnetische Felddes Schreib-Lese-Kopfes ab einer bestimmtenGröße nicht nur das zu beschreibende Bit, son-dern auch die umliegenden magnetischen Be-reiche. Außerdem ändern zu kleine Magnetenjenseits der so genannten superparamagneti-schen Grenze immer wieder spontan die Rich-tung ihres Magnetfeldes. Beides ist fatal, wennes um die dauerhafte Speicherung von digitalenDaten geht.

Mit Methoden aus der Nanotechnologie versu-chen Forscher vom Sonderforschungsbereich668 an der Universität Hamburg diese Grenz-

bereiche des Magnetismus genauer zu verste-hen und sie sind erfolgreich: Mit Hilfe der Spin-polarisierten Rastertunnelmikroskopie gelanges in Hamburg weltweit erstmalig, die magne-tische Information einzelner Atome auszulesenund die magnetische Ausrichtung von Nano-inseln gezielt zu verändern.

Wer diese neue Methode verstehen möchte,muss sich zuerst mit einigen Gesetzmäßigkei-ten im Nanokosmos und mit der Funktions-weise des Rastertunnelmikroskops vertrautmachen.

DER NANOKOSMOS UND

DAS RASTERTUNNELMIKROSKOP

In der Elektronik scheint die Nanotechnologieauf den ersten Blick nichts Außergewöhnlicheszu sein, lediglich ein weiterer Fortschritt in derMiniaturisierung. Tatsächlich jedoch wird Neu-land betreten, denn der Nanokosmos, die Weltunterhalb 100 Nanometern, zeigt Eigenschaf-ten, die sich grundsätzlich von den Gesetz-mäßigkeiten der uns bekannten makroskopi-schen Welt unterscheiden:

Im Nanokosmos herrschen andere physika-lische Gesetze als in der makroskopischenWelt, denn hier regiert die Quantenphysik.Zum anderen ist der Nanokosmos unsicht-bar. Alles, was in dieser Welt existiert, istviel kleiner als die kleinsten Wellenlängendes sichtbaren Lichtes und bleibt damit un-seren Augen verborgen.Weiterhin ist die Welt der Atome und Mole-küle für unser makroskopisches Denkeneine verkehrte Welt, da die Oberflächen-

eigenschaften von Materialien gegenüberihren Volumeneigenschaften eine größereRolle spielen.

Da Lichtwellen für den Nanokosmos zu großsind, liegt die Idee nahe, eine Strahlung mitkleineren Wellenlängen zu benutzen. Genaudas wird bei der Röntgen- und bei der Elektro-nenmikroskopie getan.

Doch man muss sich dem Nanokosmos nichtmit Wellen nähern, man kann ihn auch erfühlenund das hat sogar Vorteile. Nur der Fühlende

stellt fest, ob etwas glatt ist oder rau, klebrig,weich, hart, magnetisch oder elektrisch gela-den. Eben dies ist die Strategie des Raster-tunnelmikroskops: Es ertastet Oberflächen undderen Materialeigenschaften – sogar bis aufseinzelne Atom genau.

Das Prinzip der Rastertunnelmikroskopie wur-de 1981 entdeckt und war ein Meilenstein beider Erforschung des Nanokosmos, denn erst-mals war es möglich, einzelne Atome abzu-tasten und zu manipulieren. Gerd Binnig undHeinrich Rohrer bekamen dafür 1986 denNobelpreis für Physik.

Im Rastertunnelmikroskop tastet eine atomarspitze Nadel in einem Abstand von wenigenAtomdurchmessern die Oberflächen ab. NachAnlegen einer Spannung fließt ein schwacherStrom zwischen Spitze und Probe, obwohl siesich nicht berühren. Diesen so genannten Tun-nelstrom dürfte es nach den Gesetzen der klas-

Abbildung 1 • Funktionsprinzip

heutiger Festplatten • © Univer-

sität Hamburg

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sischen Physik gar nicht geben, weil sich zwi-schen beiden kein stromleitendes Materialbefindet. Anders im Nanokosmos. Hier geltendie Gesetze der Quantenphysik und somiterlaubt der Tunneleffekt einem Teilchen imNanokosmos die Überwindung von endlichenBarrieren, die nach den Vorstellungen der klas-sischen Physik für diese Teilchen unüberwind-bar wären. Vereinfacht ausgedrückt: Sowohl dieSpitze als auch das zu untersuchende Objektsind von einer Elektronenwolke umgeben. EinTunnelstrom fließt, wenn der Abstand zwischenObjekt und Spitze so gering gehalten wird, dassbeide Elektronenwolken sich durchdringen undElektronen zwischen der Spitze und der Probeausgetauscht werden.

Das Besondere am Tunnelstrom: Er reagiertäußerst sensibel auf kleinste Abstandsände-rungen zwischen der Spitze des Mikroskopsund der Probenoberfläche. Der Tunnelstromwird daher fast ausschließlich vom Abstand desäußersten Sondenatoms zum nächstgelegenenAtom der Probe bestimmt (Bild 2).

Bewegt wird die Spitze mit Hilfe von Piezo-kristall-„Nanomotoren“, die sich beim Anlegeneiner elektrischen Spannung kontrolliert ver-formen lassen und das zum Teil auf den Bruch-teil eines Atomdurchmessers genau.

DAS SPINPOLARISIERTE RASTER-

TUNNELMIKROSKOP

Durch einen innovativen Trick kann ein Raster-tunnelmikroskop magnetische Eigenschafteneiner Probe Atom für Atom ertasten: Mit einermagnetischen Spitze. Elektronen haben nichtnur eine elektrische Ladung, sie haben aucheinen Spin. Anschaulich und stark vereinfachtkann der Elektronenspin als Rotation des Elek-trons um seine eigene Achse beschrieben wer-den. Dieser Spin ist die eigentliche Ursache desMagnetismus und ist auf atomarer Ebene mitder klassischen Physik wiederum nicht erklär-bar. Bei einem Magnet zeigt der Elektronenspinvieler benachbarter Atome in die gleiche Rich-tung.

Ist die magnetische Ausrichtung der Spitze pa-rallel oder antiparallel zur Magnetisierungs-richtung der Probe, dann fließt eineunterschiedliche Zahl von Elektronen. Im Spin-polarisierten Rastertunnelmikroskop ist derTunnelstrom daher auch von den Magnetisie-


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Abbildung 3 • „Canyon-Landschaften“ aus atomaren „Eisenbergen“,

die gerade mal ein Atom hoch und zum Teil nur 10 bis 20 Atome breit

sind. Die hellen Flächen entsprechen dem magnetischen Nord-, die

dunklen dem magnetischen Südpol. • © A. Kubetzka, Universität

Hamburg

Abbildung 2 • Prinzip der Rastertunnelmikroskopie: Ist die Sonde

weiter von der Probenoberfläche positioniert (links), fließt ein ge-

ringerer Tunnelstrom, als wenn die Sonde sich etwas näher an der

Probenoberfläche befindet. • © Universität Hamburg

rungsrichtungen an Probe und Spitze abhängig(Bild 3).

Auf diese Weise können Rastertunnelmikro-skope tatsächlich Atom für Atom den Magnetis-mus einer Probe bestimmen.

Aufsehen erregende Messungen erfolgten auchan antiferromagnetischen Proben. Bei Anti-ferromagneten zeigt der Elektronenspin be-nachbarter Atome in die jeweils entgegen-gesetzte Richtung. Mit einem SpinpolarisiertenRastertunnelmikroskop gelang es Wissen-schaftlern am Hamburger Zentrum für Mikro-strukturforschung im Jahr 2000, diese vonAtom zu Atom wechselnden Spinrichtungenerstmals sichtbar zu machen (Bild 4).

DATENSPEICHERUNG

IN MAGNETISCHEN NANOINSELN

In konventionellen Festplatten wird das Schrei-ben von Informationen über magnetische Fel-der realisiert. Wird die Datendichte jedoch zuhoch, beeinflusst das Magnetfeld beim Schrei-ben eines Bits auch benachbarte Bits, wasunweigerlich zum Datenverlust führt.

Mit Hilfe des spinpolarisierten Rastertunnel-mikroskops, entwickelten Hamburger Wissen-schaftler vom Sonderforschungsbereich 668 imJahr 2007 ein neues Verfahren zum Schreibenvon Informationen, das komplett auf magneti-sche Felder verzichtet. Erstmals gelang es denForschern, die magnetischen Zustände nichtnur atomgenau abzubilden, sondern auch ge-zielt auf der Nanometerskala zu schalten. DieWissenschaftler untersuchten dafür winzigeNanoinseln, die aus gerade mal einhundertAtomen bestehen. Während bei niedrigen Tun-nelströmen von einigen Nanoampere zwischender Spitze und Insel die untersuchten Nano-inseln thermisch schalten, ermöglicht eintausendfach erhöhter Strom, die Inseln mitderselben Sondenspitze in eine bestimmteMagnetisierungsrichtung zu zwingen (Bild 6).Durch gleichzeitige Variation der angelegtenSpannung kann die Magnetisierung dann ge-zielt in die Bitzustände „0“ und „1“ geschaltetwerden.

Dieses so genannte „strominduzierte Schaltender Magnetisierung“ könnte in absehbarer Zu-kunft zu neuen, revolutionären Festplatten-technologien führen, deren Speicherdichte bis

Abbildung 5 • Die grünen und roten Scheiben symbolisieren Nano-

inseln, deren magnetische Ausrichtung durch die Farbgebung und

Pfeilrichtung gekennzeichnet sind. Der von der gelben Spitze des

spinpolarisierten Rastertunnelmikroskops fließende Tunnelstrom

zwingt die magnetische Ausrichtung der Nanoinseln in eine bestimmte

Richtung. • © S. Krause, Universität Hamburg

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Abbildung 4 • Diese schematische Abbildung beschreibt das Experi-

ment, durch das die magnetischen Eigenschaften einzelner Atome in

antiferromagnetischen Proben sichtbar gemacht wurden. • © S. Hein-

ze, Universität Hamburg

zu zehntausendfach höher ist als die heutigerFestplatten.

EIN ERSTER BLICK AUF ATOMARE BITS

Dass es noch viel kleiner geht, bewiesen dieHamburger Anfang 2008. Weltweit erstmaliggelang es Ihnen, den Magnetisierungszustandder kleinst-denkbaren Bits, eines einzelnenmagnetischen Atoms, das auf einer nichtmag-

netischen Unterlage liegt, direkt auszulesen.Dazu benutzten sie Cobalt-Atome, die auf einePlatinunterlage aufgedampft wurden (Bild 6).Als Lesekopf diente wieder die magnetisch be-schichtete Spitze eines spinpolarisierten Ras-tertunnelmikroskops. Bevor allerdings mithilfesolcher Strukturen funktionierende Speicher-medien entwickelt werden können, sind nochgroße Herausforderungen zu überwinden undes müssen verschiedenste Materialkombinatio-nen der Unterlage und der atomaren Bits aufmagnetische Stabilität und Kopplung getestetwerden.

FAZIT

Ein Gerät zum Lesen und Schreiben von „Nano-festplatten“ ist also bereits vorhanden. Wenn esjetzt noch gelingt, Materialien für einen neu-artigen Datenträger zu entwickeln, auf demdigitale Informationen Bit für Bit in benachbar-te Einzelatomen gespeichert werden können,dann wäre es möglich, die gesamte Literatur

der Menschheit auf der Größe einer Briefmarkezu speichern.

LITERATUR

Wiesendanger, R.: Scanning Probe Micro-scopy and Spectroscopy – Methods andApplications. Cambridge University Press,Cambridge 1994.Wiesendanger, R., Shvets, I. V., Bürgler, D.,Tarrach, G., Güntherodt, H.-J., Coey, J. M.D., and Gräser, S., Science 255, 583 (1992):„Topographic and magnetic-sensitive scan-ning tunneling microscopy study of mag-netite“.Heinze, S., Bode, M., Pietzsch, O., Kubetz-ka, A., Nie, X., Blügel, S., and Wiesen-danger, R., Science 288, 1805 (2000),„Real-space imaging of two-dimensionalantiferromagnetism on the atomic scale“.Krause, S., Berbil-Bautista, L, Herzog, G.,Bode, M., and Wiesendanger, R.: Current-Induced Magnetization Switching with aSpin-Polarized Scanning Tunneling Micro-scope, Science 14 September 2007: Vol.317. no. 5844, pp. 1537–1540.F. Meier, F., Zhou, L., Wiebe, J., and Wie-sendanger, R.: Revealing magnetic inter-actions from single-atom magnetizationcurves, Science 320, 82–86 (2008).

KONTAKT

Sonderforschungsbereich 668Universität HamburgJungiusstraße 11D–20355 HamburgTelefon 0 40 / 4 28 38-69 59Telefax 0 40 / 4 28 38-24 09E-Mail [email protected]

Internet http://www.sfb668.de


A U S G A B E 2 2 0 0 914

Abbildung 6 • Abbildung der mit

der magnetischen Spitze des

Rastertunnelmikroskops ab-

getasteten Cobalt-Atome, die auf

einer gestuften Platinunterlage

(blau) liegen. • © F. Marczi-

nowski, Universität Hamburg

A U S G A B E 2 2 0 0 916

Optische Messtechnik wird bereits in nahezuallen Branchen eingesetzt, um Herstellungs-prozesse zu optimieren und effizienter zu ge-stalten – sei es in der Forschung und Entwick-lung oder Produktion. Weltweit vertrauennamhafte Produzenten dabei auf die berüh-rungslose 3D-Messtechnik der NanoFocus AG.Der Oberhausener Messtechnikspezialist, derbereits auf 15 Jahre Erfahrung zurückblickenkann, bietet maßgeschneiderte Tools für die 3D-Oberflächenanalyse. Die Vorteile der Systemeliegen auf der Hand: Die optischen Messgeräteliefern in wenigen Sekunden aussagekräftige3D-Messwerte und sind direkt in der Produktioneinsetzbar. So liegen schnell belastbare Aus-sagen über die Einhaltung vorher definierterParameter und damit über die Qualität der pro-duzierten Güter vor. Im Falle einer Fehlproduk-tion können die Anlagen also unmittelbar ge-stoppt und Ausschuss vermieden werden. Soreduzieren die Unternehmen Kosten und Ener-gieaufwand im Produktionsprozess.

Zunehmend fokussieren sich jedoch die Interes-sen im produzierenden Gewerbe und in for-

Q u e l l e : N a n o F o c u s A G

Herstellungsverfahren, welche Leistung, Produktivität oder Effizienz steigern und

gleichzeitig Kosten, natürliche Ressourcen, Energieverbrauch, Abfälle oder Ver-

schmutzung reduzieren, sind mittlerweile in allen Branchen gefragt. Optische Mess-

verfahren können Optimierungsprozesse in vielerlei Hinsicht unterstützen, denn oft

entscheiden Details bis in den Nanometerbereich über die Erreichung dieser Ziele.

Kontakt:

NanoFocus AG

Lindnerstraße 98

D-46149 Oberhausen

Tel.: +49 (0)208 62000-0

Fax: +49 (0)208 62000-99


www.nanofocus.de

Optische Messtechnikmacht Technologiengrüner

NanoFocus-Messsysteme unterstützen die Entwicklung

umweltfreundlicher Produkte

schenden Instituten nicht nur auf die Optimie-rung der Prozesse, vielmehr stehen nun auchEnergieeffizienz, Schadstoffreduzierung und Um-weltverträglichkeit der Produkte selbst imMittelpunkt. Ein Beispiel, bei dem diese Ent-wicklung deutlich zu sehen ist, ist der Auto-mobilsektor. „Hier geht es etwa um dieCharakterisierung von Feinblechoberflächenmit optimiertem Umformverhalten und die Un-tersuchung der Oberflächeneigenschaften me-chanischer Bauteile im Bereich der Kraft-stoffzuführung und Antriebstechnik“, erklärtThorsten Höring, Leiter des Applikationsteamsvon NanoFocus. „Dies sind nicht nur kritischeKomponenten, die bei Fehlfunktion hohe Fol-gekosten verursachen, es sind auch wichtigeAnsatzpunkte für die Reduzierung von Kraft-stoffverbrauch und Verschleiß.“

Um dies zu erreichen werden im Motorenbauzunehmend neue Werkstoffe und mit neuarti-gen Oberflächenstrukturen eingesetzt. Kurbel-gehäuse aus einer Aluminium-Silizium-Legie-rung weisen etwa eine optimale Kombinationvon Leichtigkeit und Härte auf. In den Lauf-

17A U S G A B E 2 2 0 0 9

flächen der Zylinder werden die harten Silizium-partikel freigelegt und bilden ein Traggerüst fürdie Laufbahn, was den Verschleiß der sonst wei-chen Oberfläche enorm reduziert. Für her-kömmliche Messgeräte sind die Innenwändeeines Motorzylinders jedoch nur schwer zu-gänglich. NanoFocus hat deshalb speziell fürdiese Messaufgabe den μsurf cylinder entwi-ckelt. Die Branchenlösung, die mittlerweile vonPremium-Automobilherstellern weltweit einge-setzt wird, basiert auf der bewährten Konfokal-technologie. Mit deren Hilfe kann alleine durchdie Modifizierung der Zylinderlaufflächen derCo2-Ausstoß um 3 % verringert werden.

Jedoch sind nicht alle Emissionen vermeidbar.Um aber zu verhindern, dass Schadstoffe inLuft, Wasser und Boden gelangen, forschenWissenschaftler an innovativen Filtertechnolo-gien. Am Fraunhofer Institut für Umwelt-,Sicherheits- und Energietechnik UMSICHT inOberhausen werden neue Herstellungsverfah-ren für Filtervliese erprobt. „Unsere Entwick-lungen finden vielfältige Anwendung, etwa beider Vorfiltration von industriellen Abwässern,bei der Trinkwasseraufbereitung oder zur Aus-filterung von Feinstaub aus der Luft“, erklärtIlka Gehrke aus der Abteilung Prozesstechnikdes Fraunhofer UMSICHT.

Hier wird ebenfalls NanoFocus-Technologieeingesetzt, um die neuen Verfahren zu evaluie-ren. Das Messsystem der μsurf-Linie liefertinnerhalb von wenigen Sekunden ein hochauf-gelöstes Messbild der vielschichtigen Faser-geflechte im Mikrometerbereich. Entscheidendfür den Wirkungsgrad der Filter sind die Breiteund Lage der eingesetzten Fasern. Auch dieVerteilung der Löcher in den Filtervliesen spielteine Rolle. Mit Hilfe der NanoFocus-Softwarekönnen diese Parameter einfach und zuverläs-sig bestimmt sowie ausgewertet werden.

Auch in der Solarbranche gewinnen optischeMesslösungen stetig an Bedeutung. Im Ringenum Marktanteile setzen die Hersteller hier aufverbesserten Herstellungsverfahren und alter-native Materialien. Während in der Vergangen-heit hauptsächlich mono- und multikristallineDickschichtmodule aus Silizium gefragt waren,gewinnt vor allem die Dünnschicht-Technologiezunehmend an Bedeutung. Auch auf Basis neu-er Grundstoffe hat sich der Solarzellenmarkt inden vergangenen Jahren immer weiter differen-ziert. Um Aussagen über Qualität und Effizienz

einer Solarzelle treffen zu können, ist eine kon-tinuierliche Prozessüberwachung notwendig.

Rouven Lenz, Leiter des Kundenzentrums Südder NanoFocus AG, hat schon zahlreiche Un-ternehmen der Solarbranche bei der Anschaf-fung eines konfokalen 3D-Oberflächenmess-systems beraten. „Typische branchenspezifischeMessaufgaben sind etwa die Messung vonOberflächenrauheit, die Untersuchung von Lei-terbahnen, die Erkennung von Defekten oder dieCharakterisierung der pyramidenartig struk-turierten Oberfläche“, weiß er aus Erfahrung.Die Messdaten müssen jedoch bei vielen Appli-kationen im Solarbereich bei schwierigen Pro-beneigenschaften gewonnen werden. SteileFlanken, komplexe Geometrien und Strukturenbis in den Nanometerbereich machen die Mess-aufgaben anspruchsvoll. Doch gerade hier lie-gen die Stärken der konfokalen NanoFocus-Systeme.

Zahlreiche Solarunternehmen setzen bereitsdie NanoFocus-Technologie ein – von Forschung& Entwicklung über die Zulieferindustrie bis hinzur eigentlichen Produktionskontrolle. Auch diecentrotherm photovoltaics AG, einer der welt-weit führenden Solaranlagenproduzenten, nutztdie 3D-Oberflächenanalyse. Das Unternehmensetzt sie als Profilometer ein, um Schichtdickenund Rauheit an Dünnschicht-Solarzellen exaktzu bestimmen. „Auf diese Weise erhalten wir einverlässliches Stufenbild, das es uns erlaubt,Prozessfehler frühzeitig zu erkennen undschnell gegenzusteuern“, erklärt Dr. ImmoKötschau, Leiter Forschung und Entwicklung imBereich Dünnschicht. Eine Messaufgabe ist bei-spielsweise die Oberflächenanalyse von Be-schichtungen. Über Rauheitsparameter und an-dere Analysetools kann die Oberflächenqualitäteindeutig quantifiziert werden. Diese Erkennt-nisse fließen direkt in die Prozessoptimierungein, um im Ergebnis Defekte wie Pinholes undPartikel zu minimieren.

„Der Einsatz des NanoFocus-Systems spart Zeitund erleichtert uns die Entwicklungsarbeit“,resümiert Dr. Immo Kötschau. „Zukünftig wer-den berührungslose Messtools nicht mehr ausder Photovoltaik wegzudenken sein, weil sie alsProfilometer nahezu in Echtzeit verlässlicheDaten liefern, die eine rasche Fehlerbehebungund die kontinuierliche Verbesserung der Pro-zesstechnologie im Dünnschichtbereich erlau-ben.“

Anhand der 3D-Analyse von Alu-

Sil-Laufflächen (Hintergrund)

lassen sich mit dem μsurf cylin-

der Verschleißeigenschaften und

Energieverbrauch verbessern.

Quelle: NanoFocus AG

Mit Hilfe der optischen Mess-

technik von NanoFocus können

Hersteller das Maximum an

Lebensdauer, Leistung und

Effizienz aus einer Solarzelle

herausholen.

Quelle: NanoFocus AG

AUTOREN

Dr. Stefan Diez

Prof. Dr. Jonathon Howard


A U S G A B E 2 2 0 0 918

Biomolecular motor systemsNovel applications in nanotechnologyBiological cells contain molecular machines that perform complex mechanical

tasks such as intracellular transport, chromosome separation and muscle con-

traction. These processes are driven by biomolecular motors, proteins that con-

vert the chemical energy of ATP directly into mechanical work. Recent advances

in understanding how such motor proteins work have raised the possibility that

they might find applications as nanomachines. For example, they could be used

as molecule-sized robots that work in molecular factories where small, but in-

tricate structures are made on tiny assembly lines, that construct networks of

molecular conductors and transistors for use as electrical circuits, or that conti-

nually patrol inside „adaptive“ materials and repair them when necessary. Thus

biomolecular motors could form the basis of bottom-up approaches for con-

structing, active structuring and maintenance at the nanometer scale.

1 INTRODUCTION

Biomolecular motors are the active workhorsesof cells [1]. They are complexes of two or moreproteins that convert chemical energy, usuallyin the form of the high-energy phosphate bondof ATP, into directed motion. The most familiarmotor is the protein myosin: it drives the con-traction of a muscle by moving along a filamentformed from the protein actin. However, it turnsout that all cells, not just specialized musclecells, contain motors that move cellular com-ponents such as proteins, mitochondria andchromosomes from one part of the cell to anot-her. These motors include relatives of musclemyosin (that also move along actin filaments),as well as members of the kinesin and dyneinfamilies of proteins. The latter motors move

along another type of filament called the micro-tubule (see Figure 1a).

The reason that motors are necessary in cells isthat diffusion is too slow to efficiently transportmolecules from where they are made, typicallynear the nucleus, to where they are used, oftenat the periphery of the cell. For example, thepassive diffusion of a small protein to the end ofa 1-meter-long neuron would take approxima-tely 1000 years, yet kinesin moves it in a week.This corresponds to a speed of 1–2 μm/s, whichis typical of biomolecular motors [2].

Actin filaments and microtubules form a net-work of highways within cells, and localizedcues are used to target specific cargoes to spe-

cific sites in the cell [3]. Using filaments andmotors, cells build highly complex and activestructures on the molecular (nanometer) scale.Little imagination is needed to envisageemploying biomolecular motors to build mole-cular robots.

Biomolecular motors are unusual machinesthat do what no man-made machines do: theyconvert chemical energy to mechanical energydirectly rather than via an intermediate such asheat or electrical energy. This is essentialbecause the confinement of heat, for example,on the nanometer scale is not possible becauseof its high diffusivity in aqueous solutions [2]. Asenergy converters, biomolecular machines arehighly efficient. The chemical energy availablefrom the hydrolysis of ATP is 100 x 10–21 J = 100

pN·nm (under physiological conditions wherethe ATP concentration is 1 mM and the concen-trations of the products ADP and phosphate are0.01 mM and 1 mM, respectively). With thisenergy, a kinesin molecule is able to perform an8 nm step against a load of 6 pN [2]. The ener-gy efficiency is therefore nearly 50 %. For therotary motor F1F0-ATPase synthase which usesthe electrochemical gradient across mitochon-drial and bacterial membranes to generateATP, the efficiency is reported to lie between 80% and 100 % [4]. The high efficiency demon-strates that, like other biological systems, theoperation of biological motors has been optimi-zed through evolution.

High efficiency is but one feature that makesbiomolecular motors attractive for nanotechno-logical applications. Other features are:1) they are small and can therefore operate in

a highly parallel manner,

2) they are easy to produce and can be modi-fied through genetic engineering,

3) they are extremely cheap. For example, 20 x 109 kinesin motors can be acquired forone US cent from commercial suppliers (1 mg = 3.3 x 1015 motors cost $1500,Cytoskeleton, Inc., Colorado) and the pricecould be significantly decreased if produc-tion were scaled up. And

4) a wide array of biochemical tools has beendeveloped to manipulate these proteinsoutside the cell.

This report focuses on linear motors thatgenerate force as they move along intracellularfilaments. In addition to myosin and kinesinmentioned above, linear motors also includeenzymes that move along DNA and RNA.

Another class of motors are rotary motors

that generate torque via the rotations of a cen-tral core within a larger protein complex. Theyinclude ATP synthase, mentioned above, as wellas the motor that drives bacterial motility.Representatives of both categories have beenused to manipulate molecules and nano-particles.

2 RECONSTRUCTION OF

MOTILITY SYSTEMS IN VITRO

The general setups for studying cytoskeletalmotor proteins outside cells – the so-calledmotility assays – are depicted in Figure 1. In thegliding assay, the motors are immobilized on asurface and the filaments glide over the assem-bly (Figure 1b). In the stepping assay, the fila-ments are laid out on the surface where theyform tracks for the motors to move along(Figure 1c, d). Both assays are performed in

Figure 1

Kinesin-microtubule assays.

a) In a cellular environment,

kinesin motors transport cargo,

such as membrane-bounded

vesicles, along microtubule

tracks (Image courtesy of Gra-

ham Johnson of www.fivth.com

and The Scripps Research Insti-

tute). The motility of molecular

motors can be reconstituted in

vitro in

b) gliding assays (where the fila-

ments are propelled by surface-

bound motor molecules) and

c) stepping assays (where the

filaments are immobilized on

the surface and motors walk on

them).

d) Sequence of fluorescent

micrographs showing the move-

ment of a kinesin motor (labeled

with the green fluorescent pro-

tein) along a microtubule (red)

in a single-molecule stepping

assay. Images were acquired at

the indicated times using total-

internal-reflection fluorescence

microscopy.

19A U S G A B E 2 2 0 0 9

GLOS

SARY

aqueous solution, where the environmentalconditions are chosen similar to those presentin cells. Movement is observed under the lightmicroscope using fluorescence markers orhigh-contrast techniques. At the Max PlanckInstitute for Molecular Cell Biology andGenetics Dresden (MPI-CBG) the depictedmotility assays are currently applied in combi-nation with novel optical imaging techniques tofurther the biophysical understanding of bio-molecular motors [5–8]. Variations on theseassays have been used to reconstitute linearmotility on the four types of filaments – actinfilaments, microtubules, DNA and RNA.

The gliding motility assay is the most promisingsetup for nanotechnological usage. For exam-

ple, a simple application would be to employ amoving filament to pickup cargo at point A,move it along a user-defined path to point B,and then release it (see Figure 2a).

However, for use in nanotechnological applica-tions, the movement of gliding filaments has tobe controllable in space and time. A number ofmethods to control the path along which fila-ments glide, a process that we call 'guiding',have been developed. Specifically, static spatialcontrol has been achieved using topographicalfeatures [9], chemical surface modifications[10], and a combination of both [11, 12] (seeFigure 2b–d). While it is possible to use che-mical and topographical patterning to guidefilaments, it is more difficult to control the


A U S G A B E 2 2 0 0 920

GlossaryAdenosine-5’-triphosphate (ATP) is a multifunctional nucleotide that is mostimportant as a „molecular currency“ ofintracellular energy transfer. ATP is anunstable molecule and tends to be hydro-lysed to ADP in water. If ATP and ADP arein chemical equilibrium, almost all the ATPwill be converted to ADP. However, bio-logical cells maintain the ratio of ATP toADP at a point ten orders of magnitudefrom equilibrium, with ATP concentrationsa thousandfold higher than the concentra-tion of ADP. This displacement from equi-librium means that the hydrolysis of ATP inthe cell releases a great amount of energy,on the order of 100x10–21 J or ~25 kT (theBoltzmann constant times absolute tem-perature).

Kinesin moving along microtubules:

Microtubules are hollow cylindrical pro-tein filaments that constitute one of thecomponents of the cytoskeleton. They havea diameter of 25 nm and length varyingfrom 200 nanometers to 100 micrometers.Microtubules serve as structural compo-nents within cells and are involved in manycellular processes including chromosomesegregation to the daughter cells prior tocell division, the division of cells following

chromosome segregation, and the trans-port of cargo-containing vesicles from onepart of the cell to another. Kinesin is amotor protein that accomplishes transportby „walking“ along a microtubule in a„hand-over-hand“ mechanism where thekinesin heads step past one another, alter-nating the lead position. ATP binding andhydrolysis – as well as ADP release –change the conformation of the micro-tubule-binding domains of kinesin and theorientation of the neck linker with respectto the head; this results in the motion ofthe kinesin.

Biotin and Streptavidin: Biotin, alsoknown as vitamin H or B7, is a water-oluble B-complex vitamin. Streptavidin isa 53,000 dalton tetrameric protein purifiedfrom the bacterium Streptomyces avidinii.The biotin-streptavidin system is the stron-gest noncovalent biological interactionknown, having a dissociation constant, Kd,on the order of 4x10–14 M. The strength andspecificity of the interaction has led it to beone of the most widely used affinity pairs in molecular, immunological, and cellularassays.

Thermophilic/halophilic bacteria:

Bacteria living and thriving at relativelyhigh temperatures/high salt concentra-tions.

direction of movement along the path. This dif-ficulty arises because the orientation in whichmotors bind to a uniform surface is not control-led. However, because the motors bind stereo-specifically to the filament, they will exert forcein only one direction. Consequently, only theorientation of the filament determines its direc-tion of motion and directionality has so far onlybeen achieved by the design of sophisticatedguiding geometries. For example, unidirectio-nal movement of filaments can be achieved ifarrow-and ratchet-based guiding structuresare employed [10–12] (Figure 2c). However,the generation of topographical surface struc-tures is costly and labor-intensive. It is therefo-re desirable to produce non-topographicaltracks of motor proteins, leading to reliable

microtubule guiding when the structural widthsare small (below 1 μm, see Figure 2d) [13].

3 CONTROL OVER MOTOR ACTIVITY

BY EXTERNAL SIGNALS

Spatial control in a dynamic manner can beachieved by the application of external forces.For example, actin filaments and microtubulesboth possess negative net charges, and conse-quently, in the presence of a uniform electricfield, will experience a force directed towardsthe positive electrode. It is possible to applyhigh enough electric fields to steer motor-dri-ven filaments in a specified direction [14–16].Because the refractive index of protein differsfrom that of water, filaments become electri-

21A U S G A B E 2 2 0 0 9

Figure 2

Examples of a kinesin-micro-

tubule transport system opera-

ting in a synthetic environment.

a) Microtubules are propelled

over the surface by immobilized

kinesin motors in the presence of

ATP. Cargo (e. g. quantum dots)

is to be picked up at point A and

moved to point B. To reliably

guide the movement of gliding

filaments, a combination of topo-

graphical and chemical surface

modifications has proven most

efficient.

b) Example of a lithographically

structured Si-chip where the bot-

toms of 300-nm deep channels

are coated by gold (Au) in order

to achieve a selective binding of

motor proteins. The surrounding

regions are blocked by polyethy-

lene glycol which prevents pro-

tein adhesion (from [12]).

c) Fluorescent image showing

the kinesin-driven, unidirectional

movement (red dotted line) of a

rhodamine-labeled microtubule

(red) along a chemically and

topographically structured chan-

nel. d) Biotemplated stamping of

kinesin nanotracks without topo-

graphical surface modifications.

Kinesin molecules, which are

bound in an oriented manner to

the lattice of a template microtu-

bule, are transferred onto the

surface by a stamping process.

After adsorption the „template“

microtubule is released when

the deposited motor molecules

propel the microtubule off the

generated track in the presence

of ATP. The same molecules will

move and guide the ‚transport‘

microtubules (from [13]).

GLOS

SARY

cally polarized in the presence of an electricfield, and consequently in a non-uniform fieldthey move in the direction of highest fieldstrength. This so-called dielectrophoretic forcehas been used to direct the gliding of actin fila-ments on a myosin-coated substrate [17].Directional control of microtubule gliding hasalso been achieved using hydrodynamic flowfields [18–20].

Regarding temporal control mechanisms,motors can be reversibly switched off and on byregulating the concentration of fuel, or byadding and removing inhibitors. The ATP con-centration can be rapidly altered by flowing in anew solution. In such a setup, the kinesin-dependent movement of microtubules can bestopped within 1 s and restarted within 10 s[20]. An alternative method to control energysupply is to use photoactivatable ATP. In thismethod, a flash of UV light is used to release

ATP from a derivatized, non-functional precur-sor; an ATP-consuming enzyme is also presentto return the ATP concentration to low levelsfollowing release. Using such a system, micro-tubule movement has been repeatedly startedand stopped [9], though the start-up and slow-down times were slow, in the order of minutes.

In order to develop novel mechanisms for con-trolling microtubule motility by external sig-nals, we measured the height at which microtu-bules glide over a kinesin-coated surface in thepresence of ATP. To perform height measure-ments with nanometer precision, we used fluo-rescence-interference contrast (FLIC) micro-scopy, which is based on the self-interferenceof fluorescent light from objects near a reflec-ting surface (similar to the setup shown inFigure 2a). We determined that kinesin–1molecules elevate gliding microtubules about20 nm above the surface [7]. While this value issignificantly lower than the contour length ofthe motor molecule (in the order of 70 nm), it isconsistent with the segmented structure of themolecule. Given the low height of filamentmovement above the substrate material, anot-her possibility to influence motility is providedby dynamic switching of the surface properties.Towards this end, we embedded in collabora-tion with the Leibniz Institute of PolymerResearch Dresden kinesin molecules within athin layer of the thermoresponsive polymerpoly(Nisopropyl acrylamide) (PNIPAM) (seeFigure 3a). PNIPAM chains adopt a compact orextended conformation above or below thelower critical solution temperature (32 °C),respectively. We observed that microtubulescan land and glide on a PNIPAM-kinesin surfa-ce at high temperature (when the polymerchains are compacted and the surface-attachedkinesin molecules are accessible for the micro-tubules) or are released from the surface at lowtemperature [21]. This process can be repeatedmultiple times demonstrating the reversibilityof the effect. While we were so far only able toregulate the motility on a global scale, we arecurrently working towards implementing smartpolymer systems into more sophisticated envi-ronments (Figure 3b).

Fortuitously, many proteins possess naturalregulatory mechanisms and, once understood,these might offer additional means to regulatethe motors in vitro. Examples include theregulation of myosins by phosphorylation and


A U S G A B E 2 2 0 0 922

λ-phage DNA: Lambda is a temperateEscherichia coli bacteriophage. Its DNA(the λ-phage DNA) is linear and double-stranded (48,502 base pairs) with 12 basepair single-stranded complementary 5'-ends. After the phage particle injects itschromosome into the cell, the chromo-some circularizes by end joining. λ-phageDNA is a common substrate for restric-tion enzymes and for generating DNAsize marker fragments.

Charcot-Marie-Tooth disease, knownalso as Hereditary Motor and SensoryNeuropathy, is a heterogeneous inheriteddisorder of nerves (neuropathy) that ischaracterized by loss of muscle tissueand touch sensation, predominantly inthe feet and legs but also in the handsand arms in the advanced stages of di-sease. Presently incurable, this diseaseis one of the most common inheritedneurological disorders.

Usher syndrome is characterized bydeafness and a gradual vision loss. Thehearing loss is associated with a defec-tive inner ear, whereas the vision loss is associated with retinitis pigmentosa, a degeneration of the retinal cells.

calcium/calmodulin [22] and the inhibition ofkinesin by its cargo-binding „tail“ domain [23].Because such natural controls might notalways be applicable in a synthetic environ-ment, there is strong interest in the develop-ment of artificial control mechanisms for motorproteins. Towards this end, metal-ion bindingsites have been genetically engineered into theF1-ATPase motor. The binding of ions at theengineered site immobilizes the moving partsof the motor thus inhibiting its rotation [24].ATP-driven rotation can be restored by the addi-tion of metal ion chelators. Along these lines weare currently working on the genetic enginee-ring of motors that potentially provide temporalcontrol mechanisms switched by temperatureand light.

4 FIRST TECHNOLOGICAL

APPLICATIONS

In addition to these basic techniques for con-trolling motion, some simple applications of thegliding assay have been demonstrated. Theseinclude the transport of streptavidin-coatedbeads [9] and virus particles [25], the sorting ofmacromolecular assemblies [26], and the mea-surement of forces in the pN range [27].

In a collaboration with the BioNanoStructuringgroup at the Max Bergmann Center ofBiomaterials Dresden we used chemicallymodified microtubules to transport and stretchindividual λ-phage DNA molecules across a sur-face [28] (see Figure 4a, b) and extended thisapproach to the manipulation of bifunctionalDNA molecules, where individual DNA molecu-les were simultaneously bound to a structuredgold surface (via thiolization of one DNA end)and to biotinylated microtubules (via biotinyla-

23A U S G A B E 2 2 0 0 9

Figure 3

Control of microtubule motility

on switchable polymer surfaces.

a) Kinesin motors are embedded

amongst thermoresponsive PNI-

PAM molecules on a substrate

surface. Repeated changes in the

temperature result in the rever-

sible switching of PNIPAM chains

between the expanded confor-

mation (where microtubules are

repelled from the surface and

cannot bind to the kinesin heads)

and the collapsed conformation

(where microtubules can glide

unhindered on the kinesin mole-

cules). The number of micro-

tubules gliding on the surface

thus varies as a function of tem-

perature (LCST: lower critical

solution temparature, PGMA:

poly glycidyl methacrylate).

b) Proposed incorporation of

switchable polymers into guiding

channels. Upon external signal,

incoming microtubule transpor-

ters can be derailed (when the

PNIPAM gate is closed) or they

can continue to travel along the

channel when the PNIPAM gate

is open (Image courtesy of Leo-

nid Ionov, Max Planck Institute

for Molecular Cell Biology and

Genetics Dresden).

Figure 4

First nanotechnological applica-

tions of kinesin-microtubule

transport systems.

a) Setup of DNAnanocircuits:

Biotinylated microtubules are

used to transport and stretch

individual λ-phage DNA mole-

cules that are biotinylated at

their ends and attached to the

microtubule via a streptavidin

linkage (from [28]).

b) Fluorescence micrograph of a

moving microtubule (red) trans-

porting (white arrows) and stre-

tching individual DNA molecules

(green) (scale bar 5 μm). This

technique may offer an efficient

mechanism for the generation

of multidimensional, DNA-based

networks, which can be metal-

lized nano electronic applica-

tions.

c) Surface imaging by motile

microtubules: Schematic dia-

gram of kinesin-driven micro-

tubule nanoprobes crossing

shallow or deep pits of a trans-

parent silicon oxide layer above a

reflective silicon mirror.

d) Due to interference effects,

a maximum projection of the

microtubule trajectories provides

a topographical image of the sur-

face with nanometer height reso-

lution (unpublished work).

tion of the other DNA end and streptavidin) [29].This technique, in contrast to existing nano-technology tools, enables the parallel yet indivi-dual manipulation of many molecules and mayoffer an efficient mechanism for the generationof multidimensional, DNA-based networkswhich – after metallization – can be used for

nano-electronic applications. Secondly, weemployed gliding microtubules as self-propel-led probes to measure local height informationusing FLIC-microscopy. At high motor densi-ties, the trajectories of the flexible microtubu-les reproduce the topography of the surface(Figure 4c). Utilizing a patterned silicon oxide


A U S G A B E 2 2 0 0 924

layer, kinesin-driven microtubules moved overthe edges and changed their distance to theunderlying silicon substrate accordingly. Byprojecting the maximum intensities of allmicrotubule trajectories onto a single image,the topography of the various patches is repro-duced (Figure 4d). In this application, themicrotubules can be regarded as massivelyparallel, extremely sensitive height probes. Incombination with the above mentioned advan-cements in the directional control of microtu-bules on surfaces, this nano-probing couldbridge the gap between global probing techni-ques such as imaging ellipsometry, and localtechniques such as atomic force microscopy.Moreover, deep pits and cavities could be ima-ged that are inaccessible by larger probes.

5 OUTLOOK

The first steps have been made towards theoperation of biomolecular motors in engineeredenvironments. However, many advances arenecessary before these motors can be used innanotechnological applications such as mole-cular factories and building circuits. An imme-diate task is to improve the spatial and tempo-ral control over the motors. By combiningimproved surface techniques with the applica-tion of external electric, magnetic and/or opti-cal fields it should be possible, in the near futu-re, to stretch and collide single molecules, tocontrol cargo loading and unloading, and to sortand pool molecules.

A crucial longer-term goal is to control theposition and orientation of motors with molecu-lar precision. This means placing motors withan accuracy of ~10 nm on a surface and con-trolling their orientation within a few degrees.In this way both the location and the direction ofmotion of filaments can be controlled.Additionally, the robustness of motors must beincreased. Motors operate only in aqueoussolutions and under a restricted range of solu-te concentrations and temperatures. While it isinconceivable that protein-based motors couldoperate in a non-aqueous environment, twoapproaches to increase their robustness can beenvisaged. First, motors could be purified fromthermophilic or halophilic bacteria some ofwhich grow at high temperatures and high saltconcentrations. Second, a genetic screeningapproach might reveal mutations that allowmotors to operate in less restrictive or different

conditions. A longer-term goal is to use thedesign principles learnt from the study of bio-molecular motors to build purely artificialnanomotors that can operate in air or vacuum.This is a daunting prospect and it is not evenclear what fuel(s) might be used.

We finish up by pointing out that the high orderand nanometer-scale periodicity of DNA, actinfilaments and microtubules make them idealscaffolds on which to erect three-dimensionalnanostructures. While these features have beenexploited to produce DNA-based structures[30], the use of DNA motors to address specificsites (based on nucleotide sequence) has not, toour knowledge, been realized. Some years agoit was proposed that the regular lattice ofmicrotubules might serve as substrates formolecular computing and information storage[31, 32]. While these ideas seem impracticablein the context of the living organism, they maybe realizable for biomolecular motors opera-ting in engineered environments.

Already now, medical applications can benefittremendously from biomolecular motors inartificial environments. Recent studies haverevealed that kinesin, dynein and myosin playsignificant roles in the pathogenesis of a varie-ty of diseases. For example, kinesin deficien-cies have been identified as cause for Charcot-Marie-Tooth disease and some kidney diseases.Dynein deficiencies can lead to chronic infec-tions of the respiratory tract as cilia fail to func-tion without dynein. Defects in muscular myo-sin predictably cause myopathies, whereasdefects in unconventional myosin are the causefor Usher syndrome and deafness [33].Understanding the basic principles of motoroperation will thus allow to design specificdrugs to enhance (or inhibit) the (mal)functionof these motors [34]. Here, the in vitro recon-stitution of particular subcellular transportsystems will provide the testbeds for a high-throughput drug screening [35]. Moreover,when operated as molecular sorting devices,motor-driven filaments can be used to collectand concentrate specific reagents that are pre-sent in a test sample at extremely low concen-tration. When combined with micro-chip tech-nologies, such systems might form the base fora new class of point-of-care molecular detec-tion and diagnosis devices.

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Particular thanks to Jonne Helenius (BioTecDresden) for his contribution to an earlier ver-sion of this article as well as to FranziskaFriedrich (MPI-CBG) for her continued supportwith scientific illustrations. The presented workhas been mainly funded by the BMBF (juniorgroup grant 03 N 8712), the VolkswagenStiftungand the Max-Planck-Society.

ACKNOWLEDGEMENTS

The authors are grateful to their group mem-bers for being excellent research partners. Thegroups of Michael Mertig (Max BergmannCenter of Biomaterials Dresden) and ManfredStamm (Leibniz Institute of Polymer ResearchDresden) are acknowledged for very fruitfulcollaborations on the DNA stretching and theswitchable polymer surfaces, respectively.


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REFERENCES

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8 Leduc, C.; Ruhnow, F.; Howard, J.; Diez, S.:Detection of fractional steps in cargomovement by the collective operation of kinesin–1 motors. In: Proceedings of theNational Academy of Sciences of theUnited States of America (2007) 104, p. 10847–10852

9 Hess, H.; Clemmens, J.; Qin, D.; Howard,J.; Vogel, V.: Lightcontrolled molecularshuttles made from motor proteins carry-

ing cargo on engineered surfaces. In: NanoLetters (2001) 1, p. 235–239

10 Hess, H.; Clemmens, J.; Matzke, C. M.;Bachand, G. D.; Bunker, B. C.; Vogel, V.:Ratchet patterns sort molecular shuttles.In: Applied Physics a (Materials ScienceProcessing) (2002) A75, p. 309–313

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20 Gast, F. U.; Dittrich, P. S.; Schwille, P.; Wei-gel, M.; Mertig, M.; Opitz, J.; Queitsch, U.;Diez, S.; Lincoln, B.; Wottawah, F.; Schin-kinger, S.; Guck, J.; Kas, J.; Smolinski, J.;Salchert, K.; Werner, C.; Duschl, C.; Jager,M. S.; Uhlig, K.; Geggier, P.; Howitz, S.: The microscopy cell (MicCell), a versatilemodular flowthrough system for cell bio-logy, biomaterial research, and nanotech-nology. In: Microfluidics and Nanofluidics(2006) 2, p. 21–36

21 Ionov, L.; Stamm, M.; Diez, S.: Reversibleswitching of microtubule motility usingthermoresponsive polymer surfaces. In:Nano Letters (2006) 6, p. 1982–1987

22 Sellers, J. R.; Goodson, H. V.: Motor pro-teins 2: myosin. In: Protein Profile (1995) 2,p. 1323–1423

23 Coy, D. L.; Hancock, W. O.; Wagenbach, M.;Howard, J.: Kinesin’s tail domain is an in-hibitory regulator of the motor domain. In:Nat Cell Biol (1999) 1, p. 288–292

24 Liu, H.; Schmidt, J. J.; Bachand, G. D.;Rizk, S. S.; Looger, L. L.; Hellinga, H. W.;Montemagno, C. D.: Control of a biomole-cular motorpowered nanodevice with anengineered chemical switch. In: Nat Mater(2002) 1, p. 173–177

25 Bachand, G. D.; Rivera, S. B.; Carroll-Por-tillo, A.; Hess, H.; Bachand, M.: Active cap-ture and transport of virus particles usinga biomolecular motor-driven, nanoscaleantibody sandwich assay. In: Small (2006)2, p. 381–385

26 Ionov, L.; Stamm, M.; Diez, S.: Size sortingof protein assemblies using polymeric gra-dient surfaces. In: Nano Letters (2005) 5, p. 1910–1914

27 Hess, H.; Howard, J.; Vogel, V.: A piconew-ton forcemeter assembled from micro-

tubules and kinesins. In: Nano Letters(2002) 2, p. 1113–1115

28 Diez, S.; Reuther, C.; Dinu, C.; Seidel, R.;Mertig, M.; Pompe, W.; Howard, J.:Stretching and Transporting DNA Mole-cules Using Motor Proteins. In: Nano Let-ters (2003) 3, p. 1251–1254

29 Dinu, C. Z.; Opitz, J.; Pompe, W.; Howard,J.; Mertig, M.; Diez, S.: Parallel manipula-tion of bifunctional DNA molecules onstructured surfaces using kinesin-drivenmicrotubules. In: Small (2006) 2, p. 1090–1098

30 Seeman, N. C.: DNA in a material world. In: Nature (2003) 421, p. 427–431

31 Hameroff, S. R.; Watt, R. C.: Informationprocessing in microtubules. In: J TheorBiol (1982) 98, p. 549–561

32 Penrose, R.: Consciousness, the brain, andspacetime geometry: an addendum. Somenew developments on the Orch OR modelfor consciousness. In: Ann N Y Acad Sci(2001) 929, p. 105–110

33 Hirokawa, N.; Tekamura, R.: Biochemicaland molecular characterization of diseaseslinked to motor proteins. In: Trends inBiochemical Sciences (2003) 28, p. 558–565

34 Sakowicz, R.; Berdelis, M. S.; Ray, K.;Blackburn, C. L.; Hopmann, C.; Faulkner,D. J.; Goldstein, L. S. B.: A marine naturalproduct inhibitor of kinesin motors. In: Science (1998) 280, p. 292–295

35 See, for example: http://www.cytokinetics.com

KONTAKT

Stefan Diez and Jonathon HowardMax Planck Institute of Molecular Cell Biology and GeneticsPfotenhauerstrasse 108D–01307 DresdenE-Mail [email protected]

E-Mail [email protected]

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AUTOR

Christofer Radic Drei Viertel aller betroffenen Patienten sindälter als 60 Jahre. Diese Entwicklung hat zurFolge, dass der Forschungsbedarf und dieNachfrage nach neuen Therapieformen gegenKrebs stetig steigen werden. Das Meinungs-forschungsinstitut IMS Health erwartet mehrals eine Verdoppelung des weltweiten Um-satzes mit Produkten zur Krebsbehandlung vonheute 31 Milliarden Dollar auf rund 66 Milliar-den Dollar im Jahr 2010. Somit wird die Krebs-medizin über kurz oder lang die Behandlungvon Herz-Kreislauf-Erkrankungen vom erstenPlatz verdrängen.

Während aktuelle Entwicklungen im Bereichder molekularen Onkologie und der Tumor-physiologie Erfolge bei der Bekämpfung weni-ger, ausgewählter Tumorarten versprechen,muss die Mehrzahl der Krebserkrankten nachwie vor mit einem chirurgischen Eingriff, einerChemo- und/oder einer Strahlentherapie rech-nen. Allen drei Behandlungsformen ist gemein,

dass sie auf jahrzehntelanger klinischer Erfah-rung beruhen und deshalb in ihrer Wirksamkeitgut definiert und für nahezu alle Tumorartenanwendbar sind. Andererseits sind die zum Teilschwerwiegenden Nebenwirkungen dieserkonventionellen Therapien ebenso gut bekannt.Oftmals ist die vom Arzt zu treffende Entschei-dung eine äußerst schwierige Gratwanderungzwischen der noch verbleibenden Lebens-qualität und dem erzielbaren klinischen Nutzenfür den Patienten. Bis heute wurde keine mitdiesen drei konventionellen Methoden ver-gleichbare, breit anwendbare Therapieform ge-funden, die gegen fast alle Tumorarten wirk-sam ist und möglichst keine Nebenwirkungenhat.

Die von der Berliner MagForce Nanotechno-

logies AG entwickelte Nano-Krebs®-Therapieist ein neues Verfahren zur lokalen Behandlungvon Tumoren. Dieser neue Behandlungsansatz,aktuell noch in klinischen Studien, besitzt das


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Krebsbekämpfung mit magnetischenNanopartikelnKrebs ist nach Herz-Kreislauf-Erkrankungen weltweit die zweithäufigste

Todesursache. Es erkranken jedes Jahr mehr als 10 Millionen Menschen an die-

ser heimtückischen Krankheit, davon rund 420.000 in Deutschland. Im Jahr 2020

werden nach Schätzungen der Weltgesundheitsorganisation (WHO) weltweit

rund 15,7 Millionen Menschen neu davon betroffen sein. Hauptgrund für diesen

Anstieg ist die steigende Lebenserwartung. Krebs ist zu einem großen Teil auf

Fehler in der Erbsubstanz zurückzuführen: Je älter der Mensch wird, desto

mehr Fehler häufen sich an und umso wahrscheinlicher wird eine Krebs-

erkrankung.

Potenzial, sich später als vierte Säule nebenden drei heutigen Standardanwendungen(Chirurgie, Bestrahlung und Arzneimittel-therapie) in der Tumorbehandlung zu etablie-ren. Neben der universellen Einsetzbarkeit derTherapie besteht vor allem die Chance, die zumTeil drastischen Nebenwirkungen deutlichreduzieren zu können.

DEN TUMOR VON INNEN ZERSTÖREN

Bei der Nano-Krebs®-Therapie können Tempe-raturen zwischen 41 °C und 45 °C (Hyper-thermie) sowie zwischen 46 °C und 70 °C(Thermoablation) innerhalb des Tumors er-zeugt werden. Das Prinzip der Methode ist diedirekte, minimal-invasive Einbringung magne-tischer Nanopartikel in den Tumor und ihreanschließende Erwärmung in einem magneti-schen Wechselfeld. Bei Temperaturen bis 45 °Cwird die Wirkung einer gleichzeitig angewand-ten Strahlen- oder Chemotherapie verstärkt.Die Wirkungsverstärkung gegenüber einerStrahlentherapie erfolgt dabei beispielsweisedurch den wärmebedingten Funktionsverlustvon Reparaturenzymen, die normalerweiseStrahlenschäden an der DNS reparieren und sodas Überleben von Tumorzellen ermöglichen.Werden diese wichtigen Enzyme durch Wärmegeschädigt, sterben die Tumorzellen bereits beikleineren Strahlendosen ab. Wärme beein-trächtigt aber auch andere Proteine, die zumBeispiel dafür verantwortlich sind, dass che-

moresistente Tumorzellen die für sie schäd-lichen Zytostatika aus den Zellen wieder her-ausschleusen können. Fallen diese „Pumpen“durch Wärmeeinwirkung aus, sterben selbstchemoresistente Tumorzellen, weil die Wirk-

stoffe weiterhin in den Zellen verbleiben. BeiTemperaturen ab 46 °C werden nahezu alleBiomoleküle der Zellen betroffen und die Zellestirbt direkt an den Folgen der Überhitzung.

Bei den Nanopartikeln handelt es sich um sehrkleine, in Flüssigkeit gelöste Teilchen ausEisenoxid mit einem Durchmesser von etwa 20Nanometern (inklusive der Hülle). Die Partikelwerden durch ein Magnetfeld, welches bis zu100.000 Mal in der Sekunde seine Polaritätwechselt, in Schwingung versetzt und erzeugendadurch Wärme. Mit dieser Technik ist der Arztin der Lage, den Tumor von innen heraus zubekämpfen. Die Teilchen werden direkt in denTumor eingebracht (injiziert) und verbleibenaufgrund ihrer Hüllgestaltung dort. Sie werdennicht wieder heraus geschleust, so dass sichdie Behandlung nur auf das Tumorgewebe be-schränkt. Umgebendes gesundes Gewebe wirdgeschont.

DER LANGE WEG ZUR KLINISCHEN

ANWENDUNG

Die ersten vorklinischen Untersuchungen zurWirksamkeit der Nano-Krebs®-Therapie fan-den bereits 1993 statt. Mit den Nanopartikelnder ersten Generation, welche eine Hülle ausDextran enthielten, gelang nach zahlreichenVersuchen im Mausmodell der Wirksamkeits-nachweis beim Brustkrebs. Mit einer einmali-gen Magnetfeldanwendung von 30 Minuten und

einer erreichten Temperatur von 47 °C konntenahezu jede zweite Maus vom Tumor geheiltwerden. Diese ersten Ergebnisse wurden 1996im „International Journal of Hyperthermia“veröffentlicht.

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Nach einer Reihe von Weiterentwicklungen anden Nanopartikeln und dem Therapiegerätsowie weiteren viel versprechenden vorklini-schen Tests konnte im März 2003 die erste kli-nische Studie gestartet werden. Zunächst wur-den 14 Patienten mit einem bösartigenGehirntumor (Glioblastoma multiforme) imRahmen einer Machbarkeitsstudie mit derNano-Krebs®-Therapie behandelt. Die viel ver-sprechenden Ergebnisse, welche im „Journal ofNeuro-Oncology“ publiziert wurden, ermög-lichten den Start einer Wirksamkeitsstudie fürGlioblastom-Patienten im Januar 2005 sowie

die Aufnahme weiterer Studien für andere In-dikationen. So konnten bis heute über 120 Pa-tienten mit u. a. Prostatakarzinomen, verschie-denen gynäkologischen Tumoren, Sarkomenund Speiseröhrenkrebs im Rahmen der klini-schen Studien behandelt werden. Weitere klini-sche Studien zur Behandlung solider Tumorewerden folgen. Es zeichnet sich bereits ab, dassdie Behandlung insgesamt sehr gut vertragenwird. Aussagen zur Wirksamkeit können vorAbschluss der Studien noch nicht getroffenwerden.

GRUNDLAGENFORSCHUNG UND

PRODUKTENTWICKLUNG

Bereits im Jahr 1987 arbeitete Dr. AndreasJordan – Gründer und Vorstand der MagForceNanotechnologies AG – zusammen mit Ärztender Charité an der Verbesserung der damalsneuesten Hyperthermiesysteme. Sein neuarti-ger Ansatz sah vor, die Wärme direkt in demTumor zu „deponieren“, anstatt, wie damalsüblich, diese von außen zu erzeugen. Dies soll-te durch eine magnetisierbare Substanz mög-lich werden, welche mittels eines Wechsel-magnetfelds kontaktlos von außen angeregtwerden kann. Nach jahrelanger Suche undknapp eintausend Versuchen mit Substanzenaus aller Welt wurden die gewünschten Eigen-schaften in einer Probe aus Japan entdeckt,welche Nanopartikel aus Eisenoxid enthielt.

Die bis dahin rein physikalischen Arbeiten wur-den anschließend biologisch fortgesetzt, um dieWirksamkeit der Methode zu beweisen. Parallelzu den biologischen und vorklinischen Fort-schritten arbeitete Jordan bereits seit Anfangder neunziger Jahre an der Entwicklung einesWechselmagnetfeld-Therapiesystems, mit demspäter Patienten behandelt werden sollten. Umdas ganze Vorhaben zu finanzieren, gründeteJordan 1997 die MFH HyperthermiesystemeGmbH mit Risikokapital (Venture Capital). Wäh-rend die Grundlagenforschung größtenteils von


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der Deutschen Krebshilfe und der DeutschenForschungsgemeinschaft im Rahmen des Son-derforschungsbereichs 273 getragen wurde,ging es bei der MFH Hyperthermiesysteme umdie reine Produktentwicklung.

Im Jahr 2000 gründete Jordan die MagForceApplications GmbH zur Herstellung spezi-fischer Nanopartikel für die neue Krebsthera-pie. Ausgerüstet mit zahlreichen Lizenz-Patenten, begann mit Gründung der MagForcedie Eigenentwicklung der Eisenoxid-Nano-partikel im Unternehmen. Nachdem alle Vor-schriften des Medizinproduktegesetzes erfülltund eine in-house Produktion aufgebaut wor-den waren, startete die MagForce Anfang 2003das klinische Studienprogramm für die Nano-Krebs®-Therapie, das zur europäischen Zu-lassung des Therapieverfahrens Mitte 2010führen soll.

KONTINUIERLICHE FORSCHUNGSARBEIT

Zwar befindet sich die Nano-Krebs®-Therapieheute in fortgeschrittenen klinischen Studien,

doch bedeutet dies keineswegs das Ende derForschungsarbeit. Die MagForce ist bestrebt,ihre Technologie ständig zu verbessern, um denBehandlungserfolg der Therapie weiter stei-gern und gleichzeitig jegliche Belastung für denPatienten auf ein absolutes Minimum reduzie-ren zu können. Hierbei konzentriert sich dieForschungsarbeit vor allem auf die Weiter-entwicklung der Nanopartikel. Die aktuellenVorhaben im Bereich der Nanopartikel-forschung umfassen zum einen die Entwick-lung neuartiger magnetischer Nanopartikel mit

einer erhöhten Wärmeentwicklung im magne-tischen Wechselfeld und zum anderen die Opti-mierung der Primärbeschichtung der Partikelfür eine erhöhte Depotstabilität im Tumor-gewebe.

Die langfristigen Forschungsbestreben habeneine systemische Applikation der Nanopartikelzum Ziel. Dies bedeutet, dass die Nanopartikelzukünftig intravaskulär eingebracht werdenund anschließend selbständig den Weg zumTumor finden können. Neben der Entwicklungvon „intelligenten“ Nanopartikeln forscht dieMagForce auch hinsichtlich einer Medikamen-tenankopplung an die Eisenoxid-Teilchen. Die-se könnten somit Chemotherapeutika direkt inden Tumor einschleusen und erst dort freiset-zen. So könnten die schädlichen Nebenwir-kungen einer Chemotherapie reduziert werden,da die giftige Fracht nicht länger den gesamtenKörper belasten würde. In diesem Bereich derForschung engagiert sich die MagForce imRahmen des europäischen Projekts „Medi-

Trans“ als Industriepartner. Ziel des Vor-habens, an welchem zahlreiche Universitäten

und Großkonzerne, wie BayerSchering Pharma und PhilipsElectronics, teilnehmen, istes, eine Plattformtechnologiefür den breiten Einsatz vonnanomedizinischen Verfahrenzu entwickeln. Diese sollenspäter sowohl die Diagnoseals auch die Therapie vonschweren Krankheiten be-schleunigen und erleichtern.Somit könnten zukünftige Be-handlungen für den Arzt nocheinfacher und für den Patien-ten noch schonender gestaltetwerden.

KONTAKT

MagForce Nanotechnologies AGSpandauer Damm 130D–14050 BerlinTelefon +49 30 308 380 0Telefax +49 30 308 380 99E-Mail [email protected]

Internet www.magforce.com

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NanostrukturierteThermoelektrika –

umweltfreundlicher Strom aus neuen MaterialienThermoelektrika sind Materialien, die Wärme in elektrische Energie umwan-

deln. Neben vielfältigen Anwendungen im Bereich der Sensorik ermöglichen

Thermoelektrika die Nutzung nahezu jeder Abwärme, um elektrischen Strom zu

erzeugen. Thermoelektrika eignen sich außerdem zum Kühlen, beispielsweise

von Mikrochips, da sie mit elektrischem Strom gezielt Wärme abführen können.

Durch Nanostrukturierung wird die Effizienz der Materialien deutlich verbes-

sert und die Tür für breite Anwendungen geöffnet.

AUTOREN

Johannes Kimling

William Töllner

Kornelius Nielsch

Elektrizität und Temperatur sind eng miteinan-der verknüpft – das weiß jeder, der gerne Teetrinkt und dazu einen elektrischen Wasser-kocher verwendet. Hierbei wird elektrischeEnergie in Wärme, sprich thermische Energie,umgewandelt. Neben diesem einfachen Bei-spiel treten im direkten Wechselspiel zwischenTemperatur und Elektrizität weitere Effekte auf.So ist es einerseits möglich, ohne Umwegeüber Turbinen aus Wärme direkt elektrischenStrom zu erzeugen. Andererseits kann mitelektrischem Strom Wärme transportiert wer-den, ganz ohne Kühlmittel und Kompressor.Thermoelektrika sind Materialien, in denen bei-de Phänomene besonders deutlich hervortre-ten. Als wichtigste Anwendung bewähren sichthermoelektrische Generatoren schon seit lan-ger Zeit in der Raumfahrt, wenn es beispiels-weise um die Stromversorgung von Raum-

sonden am Rand des Sonnensystems geht.Doch auch auf der Erde sollen Thermoelektrikain Zukunft wertvolle Dienste leisten. Studiendes Lawrence Livermore National Laboratoryzufolge gehen mehr als 60 Prozent der ver-brauchten fossilen Primärenergie ungenutzt inForm von Wärme verloren [1]. Zu den größtenAbwärmeproduzenten zählen Kraftwerke,Haushalte und Kraftfahrzeuge. Mit thermoelek-trischen Generatoren kann die Abwärme wie-der zur Stromerzeugung genutzt werden. Innaher Zukunft sollen thermoelektrische Gene-ratoren Fahrzeuge mit Bordstrom versorgenund so den CO2-Ausstoß reduzieren (Abb. 1).Die potentielle Kraftstoffeinsparung liegt beifünf bis zehn Prozent.

Der Grund warum Thermoelektrika bislangnoch nicht als Recyclingtechnik für Abwärmezum Einsatz gekommen sind, ist der noch zugeringe Wirkungsgrad von sechs bis zehnProzent. Mit Hilfe der Nanotechnologie könnenheutzutage die Eigenschaften eines Materialsgezielt verändert werden. Dies ist ein vielver-sprechender Ansatz um die Effizienz von Ther-moelektrika deutlich zu verbessern.

Die beiden grundlegenden thermoelektrischenEffekte wurden bereits in der ersten Hälfte des19. Jahrhunderts entdeckt. Wird ein Metallstaban einem Ende erwärmt, dann schwingen dieAtome des Festkörpers dort stärker als am kal-ten Ende. Durch die Wechselwirkung zwischenden Atomen überträgt sich die Schwingungs-energie eines Atoms auf benachbarte Atomeund verteilt sich so über den ganzen Festkör-per. In der quantenmechanischen Beschrei-bung werden solche Schwingungen des Kris-tallgitters als Phononen bezeichnet, da sie sichwie Quasiteilchen verhalten. In Metallen tragenneben Phononen besonders auch frei beweg-

liche Elektronen zur Wärmeleitung bei. Sie sto-ßen während ihrer Bewegung ständig mitschwingenden Atomen zusammen und nehmendabei thermische Energie vom Kristallgitterauf. Dadurch erhöht sich ihre eigene kinetischeEnergie, die sie durch Stöße mit weiteren Ato-men wieder an das Kristallgitter abgeben. Wirddas andere Ende des Metallstabs gleichzeitiggekühlt, dann bleibt der Temperaturunter-schied zwischen den Enden bestehen. Aufgrundder größeren kinetischen Energie der „war-men“ Elektronen bewegen sich nun pro Zeitein-heit mehr Elektronen vom warmen Ende zumkalten Ende des Stabs, als in die umgekehrteRichtung. Auf diese Weise bildet sich ein Elek-tronenüberschuss und damit eine elektrische

Spannung zwischen den beiden Stabenden. Dieentstandene Spannung wiederum verursachteinen Strom „kalter“ Elektronen zum warmenEnde, und steigt bis zum Gleichgewicht der bei-den entgegengerichteten Ströme an. DieserEffekt wurde 1821 von Thomas Seebeck ent-deckt. Die Größe der Spannung U bei einemTemperaturunterschied ΔT ist materialspezi-fisch und wird über den Seebeck-KoeffizientenS beschrieben: U = S ΔT. Im Fall von Halbleiternnimmt zusätzlich zur Energie auch die Konzen-tration der freien Ladungsträger mit der Tem-peratur zu. Das Konzentrationsgefälle unter-stützt die Diffusion der Ladungsträger zurkalten Seite und führt zu großen Seebeck-Ko-effizienten, die zudem in p- und n-leitendenHalbleitern unterschiedliche Vorzeichen haben.Damit der Seebeck-Effekt zur Stromerzeugunggenutzt werden kann, benötigt man so genann-te Thermopaare, die aus zwei Materialien mitSeebeck-Koeffizienten unterschiedlichen Vor-zeichens bestehen. Die Thermopaare werden,wie in Abb. 2 gezeigt, elektrisch in Reihe undthermisch parallel miteinander verbunden.

Wären die Seebeck-Koeffizienten beiderSchenkel identisch, würde die resultierendeSpannung verschwinden. Wird in umgekehrterWeise eine Spannung angelegt, so dass einelektrischer Strom durch ein Thermoelementfließt, so wird die Oberseite bzw. die Unterseitedes Thermoelements entweder gekühlt odererwärmt. Hierfür ist aber ein anderer Effektverantwortlich, der von C. A. Peltier im Jahr1834 entdeckt wurde. Wir hatten festgestellt,dass Transport von Ladung gleichzeitig Trans-port von Wärme bedeutet. Wieviel Wärme vonden Ladungsträgern transportiert wird, ist abervon Material zu Material unterschiedlich. Fließtein elektrischer Strom durch ein Thermopaar,so staut sich die Wärme an den Kontaktstellen

Abbildung 1 · Am Stuttgarter

DLR-Institut für Fahrzeugkon-

zepte wurde kürzlich ein thermo-

elektrischer Generator in den

Abgasstrang eines BMW-Ver-

suchsfahrzeugs integriert und

erfolgreich getestet.

Abbildung 2 · Kommerzielle

thermoelektrische Elemente

setzen sich aus einer Reihen-

schaltung von sehr vielen

Thermopaaren zusammen.

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Abbildung 3

Temperaturverlauf der thermo-

elektrischen Gütezahl ZT für die

wichtigsten thermoelektrischen

Materialien [3].

Abbildung 4

Thermoelektrische Materialien

die Strukturen im Nanometer-

bereich aufweisen besitzen

besondere thermoelektrische

Fähigkeiten. In der Abbildung

sind Elektronenmikroskopauf-

nahmen von nanostrukturierten

Materialien zu sehen. (a) Bi2Te3/

Sb2Te3 (1 nm/5 nm) Multischicht-

system [7]. Die Pfeile verdeut-

lichen, dass Phononen an Nano-

strukturen gestreut werden,

während Elektronen nahezu

unbeeinflusst bleiben, (b) PbTe/

PbSeTe quantum dot-Übergitter

[8] und (c) Bi2Te3/Sb Multi-

schicht-Nanostäbe mit unter-

schiedlichen Schichtdicken [9].

zwischen den beiden thermoelektrischen Mate-rialien entweder, oder sie wird dort der Um-gebung entzogen.

Thermoelektrika werden über die GütezahlZT=S2σT/κ charakterisiert, die ein Maß für dieEffizienz bei der Umwandlung von Wärme inelektrische Energie darstellt [2]. Nach dieserFormel müssen gute thermoelektrische Mate-rialien eine kleine thermische Leitfähigkeit κaufweisen, während das Produkt aus Seebeck-Koeffizient S und elektrischer Wärmeleitfähig-keit σ möglichst groß sein soll. Die Wahl desMaterials wird zusätzlich durch die Temperaturbestimmt, bei der es zum Einsatz kommen soll.In Abb. 3 sind die ZT-Werte der wichtigsten

Thermoelektrika als Funktion der Temperaturdargestellt. Neben diesen schon lange bekann-ten thermoelektrischen Materialien werdenseit einigen Jahren in der Chemie auch neue

Verbindungen untersucht. Hierzu gehören bei-spielsweise Skutterudite (z. B. CoSb3 [4]) undClathrate (z.B. Ba8Ga6Ge30 [5]), die unter demBegriff „phonon-glass/electron-crystal materi-als“ zusammengefasst werden.

In der Natur sind die Größen S, σ und κ derartmiteinander gekoppelt, dass der ZT Wert nichtohne weitere Hilfsmittel optimiert werden

kann. In Metallen beispielsweise ist das Ver-hältnis von elektrischer Leitfähigkeit σ zu ther-mischer Leitfähigkeit κ bei fester Temperaturkonstant (Wiedemann-Franz-Gesetz). Mit Hilfenanotechnologischer Methoden gelingt dieEntkopplung der drei die Gütezahl ZT bestim-menden Transportgrößen. Dabei werden imWesentlichen zwei Strategien verfolgt. EineVerstärkung des Power-Faktors S2σ erfolgt inso genannten niederdimensionalen Materia-lien. Damit sind Materialien gemeint, in denendie räumliche Ausbreitung von beweglichenLadungsträgern in mindestens einer Raum-richtung ausreichend eingeschränkt wird,damit sich Quanteneffekte bemerkbar machen.Dies ist beispielsweise in nanometerdünnenFilmen, sowie in Stäbchen deren Durchmesserim Nanometerbereich liegen, der Fall. Theore-tische Untersuchungen hierzu wurden von L. D.Hicks und M. S. Dresselhaus schon 1993 unter-nommen [6]. Als bisher erfolgreichste Strategiezur Steigerung des ZT Werts hat sich die Re-duktion der Wärmeleitfähigkeit durch Einbrin-gen von Nanostrukturen in das Material erwie-sen, an denen Phononen stark gestreutwerden. Abb. 4 (a) zeigt eine Elektronenmikro-skopaufnahme einer im Nanometerbereichstrukturierten Probe, die abwechselnd ausSchichten von 1 nm Bi2Te3 und 5 nm Sb2Te3

besteht. Neben dem atomaren Kristallgitter be-sitzt dieses Material eine Übergitterstruktur, daes aus vielen nanometerdünnen Schichten auf-gebaut ist. Auf diesem Weg gelang es Venkata-subramanian und seinen Mitarbeitern im Jahr2001, die Gütezahl ZT gegenüber dem unstruk-

turierten Material mehr als zu verdoppeln [7].Ziel von aktuellen Forschungsprojekten ist es,die Streuung von Phononen durch verbesserteÜbergitterstrukturen weiter zu steigern, undQuanteneffekte in den Nanostrukturen effizien-


A U S G A B E 2 2 0 0 936

ter zu nutzen. Dazu zählen so genannte quan-tum-dot Übergitter und eindimensionaleNanostäbe, dargestellt in Abb. 4 b und c.

Nanostäbe können in großem Umfang z. B.mittels elektrochemischer Abscheidung in bie-nenwabenförmigen Al2O3-Porenstrukturenhergestellt werden (Abb. 5 a und b). Durchselektives nass-chemisches Ätzen werden dieNanostäbe aus der Oxidmatrix befreit und kön-nen anschließend auf strukturelle und ther-moelektrische Eigenschaften untersucht wer-den (Abb. 5 c). Eine Herausforderung stellt dieCharakterisierung einzelner Nanostäbe dar.Abbildung 5 d zeigt den Ausschnitt einer freihängenden miniaturisierten Messplattform,hergestellt an der Universität von Texas inAustin, USA. In der Abbildung kann man erken-nen, dass die Messplattform freihängend ist.Sie besteht aus zwei dünnen Membranen, dievon langen Kontaktarmen getragen werden undgegenüber dem Substrat praktisch thermischisoliert sind. Trotz der geringen Größe von nurwenigen Mikrometern befinden sich auf jederMembran wendelförmige Heizstrukturen mitdenen die Temperatur erhöht und gleichzeitiggemessen werden kann. An den gegenüberlie-genden Seiten der beiden Membranen sindElektroden angebracht, an denen der Nanostabbefestigt und elektrisch kontaktiert wird.Während der Messung bildet der Nanostab eineBrücke zwischen den beiden Membranen undhat wie diese keinerlei Kontakt zum darunter-liegenden Substrat. Mit einer solchenMikromessplattform ist es prinzipiell möglich,

alle drei thermoelektrischen Größen am selbenNanostab zu messen.

Nanostäbe stellen insbesondere in Form vonMultischicht-Nanostäben (Abb. 4 c) ein physi-kalisch interessantes Modellsystem dar, dasbeide genannten Strategien zur Steigerung desZT Wertes vereint. Zu solchen komplexerenModellsystemen wurden in jüngster Zeit

Berechnungen durchgeführt [10]. Multischicht-Nanostäbe konnten inzwischen von mehrerenGruppen auf unterschiedliche Art und Weisehergestellt werden [9,11]. Diese wurden bisheraber nur strukturell charakterisiert. Eine syste-matische Überprüfung der theoretischenBerechnungen hinsichtlich der thermoelektri-schen Eigenschaften steht noch aus.

Anwendungsnahe nanotechnologische Mate-rialien wurden in den vergangenen Jahren un-ter anderem in Form von thermoelektrischenNanokompositen entwickelt, die im Innerenwillkürlich verteilte Nanopartikel aufweisen.Nanokomposite können beispielsweise durchHeißpressung unterschiedlicher Nanopartikel-pulver kostengünstig und in großem Umfanghergestellt werden. Da Phononen auch aneinem ungeordneten Übergitter gestreut wer-den, besitzen Nanokomposite eine geringeWärmeleitfähigkeit. Gegenüber den geordnetenÜbergitterstrukturen aus Abb. 4 erfolgt diePhononenstreuung in Nanokompositen nahzuisotrop, d.h. die Wärmeleitfähigkeit wird hier inallen Richtungen gleich geschwächt. Wissen-schaftler des Massachusetts Institute of Tech-nology (MIT) in Cambridge, USA, konntenBixSb2–xTe3-Nanokomposite mit deutlich verbes-serten ZT Werten mittels eines Verfahrens her-stellen, das direkt für eine industrielle Produk-tion übernommen werden kann [13].

Die Entwicklung nanostrukturierter Thermo-elektrika umfasst komplexe wissenschaftlicheFragestellungen aus den Bereichen Chemie,

Physik, Materialwissenschaften, Theorie undElektrotechnik. Aus den ersten Erfolgen derNanotechnologie auf dem Gebiet der Thermo-elektrik sind große internationale Forschungs-projekte entstanden. Diese haben sich zum Zielgesetzt, Thermoelektrika in breiten Anwendun-gen rentabel zu machen. Angesichts der ak-tuellen Energie- und Klimasituation sind dieseAnstrengungen dringend notwendig, damit wir

Abbildung 5

Die elektrochemische Synthese

von thermoelektrischen Nano-

stäben erfolgt in Templatestruk-

turen, wie z.B. hochgeordneten

porösen Aluminiumoxidfilmen.

(a) Oberfläche eines Al2O3-

Templats; (b) Querschnitt durch

ein mit Nanostäben gefülltes

Al2O3-Templat; (c) Nanostäbe

nach Herauslösen aus dem

Al2O3-Templat; (d) frei hängende

Mikro-Messplattform zur

Bestimmung thermoelektrischer

Größen von einzelnen Nano-

stäben [12].

37A U S G A B E 2 2 0 0 9

in Zukunft die vorhandenen Energiequelleneffizienter nutzen können. Während die For-schung an Thermoelektrika in den vergange-nen Jahren hauptsächlich durch amerikanischeund asiatische Forschungsgruppen große Auf-merksamkeit erfuhr, hat sich das große Poten-zial der Thermoelektrik mittlerweile auch indeutschen Forschungsgruppen herumgespro-chen. Mit der Einrichtung des Schwerpunkt-projekts 1386 Nanostrukturierte Thermo-

elektrika: Theorie, Modellsysteme und

kontrollierte Synthese der Deutschen For-schungsgemeinschaft DFG sind in diesem Jahrhervorragende Rahmenbedingungen für eineVielzahl von Forschungsprojekten und interdis-ziplinären Kooperationen entstanden. Deutsch-land ist damit für die Zukunftstechnologienanostrukturierter Thermoelektrika aus-gezeichnet positioniert. An dem Projekt werdenzukünftig etwa 80 Wissenschaftler beteiligtsein. Insbesondere dem wissenschaftlichenNachwuchs bieten sich hierdurch erstklassigePerspektiven.

Die Autoren bedanken sich bei I. Klüver und D. Görlitz für hilfreiche Diskussionen und Vor-schläge.

1 https://eed.llnl.gov/flow/02flow.php

2 D. M. Rowe (Hrsg.). Thermoelectrics Hand-book: Macro to Nano, CRC Handbook,Taylor & Francis, Boca Raton (2006).

3 J. Sommerlatte, K. Nielsch und H. Böttner.„Thermoelektrische Multitalente“, Physik

Journal 6, Nr. 5, 34 (2007).4 P. N. Alboni, X. Ji, J. He, N. Gothard,

J. Hubbard und T. M. Tritt. „Synthesis andThermoelectric Properties of ‚Nano-Engineered‘ CoSb3 Skutterudite Materials“,Journal of Electronic Materials 36,711 (2007).

5 M. Christensen, N. Lock, J. Overgaard undB. B. Iversen. „Crystal Structures ofThermoelectric n and p-type Ba8Ga16Ge30

Studied by Single Crystal, Multitempera-ture, Neutron Diffraction, Conventional X-ray Diffraction and Resonant SynchrotronX-ray Diffraction“, Journal of the

American Chemical Society 128, 15657(2006).

6 L. D. Hicks & M. S. Dresselhaus. „Thermo-electric figure of merit of a one-dimensio-nal conductor“, Phys. Rev. B 47, 16631(1993).

7 R. Venkatasubramanian, E. Siivola, T. Col-pitts und B. O'Quinn. „Thin-Film thermo-electric devices with high room-tempera-ture Figures of merit“, Nature 413, 597(2001).

8 T. C. Harman, P. J. Taylor, M. P. Walsh undB. E. LaForge. „Quantum Dot SuperlatticeThermoelectric Materials and Devices“,Science 297, 2229 (2002).

9 W. Wang, G. Zhang und X. Li. „ManipulatingGrowth of Thermoelectric BiTe/Sb Multi-layered Nanowire Arrays“, Phys. Chem. C

112, 15190 (2008).10 Y. Lin & M. S. Dresselhaus. „Thermoelect-

ric properties of superlattice nanowires“,Phys. Rev. B 68, 075304 (2003).

11 M. S. Gudiksen, L. J. Lauhon, J. Wang, D.C. Smith und C. M. Lieber. „Growth ofnanowire superlattice structures for nano-scale photonics and electronics“, Nature

415, 617 (2002).12 L. Shi, D. Li, C. Yu, W. Jang, D. Kim, Z. Yao,

P. Kim und A. Majumdar. „MeasuringThermal and Thermoelectric Properties ofOne-Dimensional Nanostructures Using aMicrofabricated Device“, Journal of Heat

Transfer 125, 881–888 (2003).13 B. Poudel, Q. Hao, Y. Ma, Y. Lan, A. Minnich,

B. Yu, X. Yan, D. Wang, A. Muto, D. Vashaee,X. Chen, J. Liu, M. S. Dresselhaus, G. Chen,Z. Ren. „High-Thermoelectric Performanceof Nanostructured Bismuth Antimony Tel-luride Bulk Alloys“, Science 320, 634(2008).

KONTAKT

Johannes KimlingInstitut für Angewandte PhysikJungiusstr. 11, D–20355 HamburgTelefon +49 (0)40 42838 6729E-Mail [email protected]

William TöllnerInstitut für Angewandte PhysikJungiusstr. 11, D–20355 HamburgTelefon +49 (0)40 42838 6729E-Mail [email protected]

Prof. Dr. Kornelius NielschInstitut für Angewandte PhysikJungiusstr. 11, D–20355 HamburgTelefon +49 (0)40 42838 6521E-Mail [email protected]


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39A U S G A B E 2 2 0 0 9

AUTOR

Dr. Péter Krüger

Dr. Holger Hoffschulz

CARBON NANOTUBES: WINZIGE

KOHLENSTOFFRÖHREN BEWEGEN

DIE WERKSTOFFTECHNOLOGIE.

Nanotechnologie gilt als eine der Schlüssel-technologien des 21. Jahrhunderts. Entspre-chend hoch sind die Erwartungen, die vonWissenschaft, Wirtschaft und Politik gestelltwerden und die in etlichen Zukunftsvisionenihren Ausdruck finden.

Für die Werkstofftechnologie haben derzeitganz bestimmte Nanostrukturen – die so ge-nannten Carbon Nanotubes (CNTs) – eine be-

sonders hohe Relevanz. Die Gründe dafür lie-gen in den einzigartigen Materialeigenschaften,mit denen sich völlig neue Werkstoffe mit revo-lutionären Qualitäten entwickeln lassen. DieWände der winzig kleinen Kohlenstoffröhrenbestehen – analog zu Fullerenen oder denEbenen des Graphits – ausschließlich aus Koh-lenstoff und weisen eine wabenartige Strukturmit Sechsecken und jeweils drei Bindungspart-nern auf (Abb. 1). Carbon Nanotubes (Abb. 2)unterteilen sich wiederum in Single Wall Car-bon Nanotubes (SWNT) und Multi Wall CarbonNanotubes (MWNT).


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Einzigartiges Bündnisaus Wissenschaft undIndustrie in Deutsch-land

In einem eng vernetzten Forschungsverbund mit rund 80 Partnern aus Wissen-

schaft und Industrie treibt die Innovationsallianz CNT die Entwicklung von Car-

bon Nanotubes (CNTs) konsequent voran. Die winzigen Kohlenstoffröhren, die

erst Anfang der 90er Jahre eine breite Beachtung fanden, gelten gegenwärtig

als Megatrend der Werkstofftechnologie. In 18 Projekten werden innovative

Applikationen auf den Gebieten Energie & Umwelt, Mobilität sowie Leichtbau

entwickelt. Gesamtziel ist es, die Basis für einen Leitmarkt für CNTs in Deutsch-

land zu legen.

BMBF fördert Innovationsallianz CNT (Inno.CNT)

Carbon Nanotubes

eröffnen neue Dimensionen in der

Werkstofftechnologie

CNTs, die vergrößert wie eine aufgerollte Gra-phitschicht aussehen, verfügen über eine 400-fach höhere spezifische Festigkeit als Stahloder Aluminium und eine 20fach höhere Festig-keit als Carbonfasern. Darüber hinaus sindCNTs elektrisch leitfähig (Abb. 3). Je nachStruktur können die Kohlenstoffröhren metal-lisch oder halbleitend sein. Für Anwendungenim Bereich der Elektronikindustrie sind vor al-lem die Strombelastbarkeit und die Wärmeleit-fähigkeit von CNTs interessant. Schätzungengehen davon aus, dass die Strombelastbarkeitvon CNTs etwa 1000-mal höher als bei Kupfer-drähten ist. Die Wärmeleitfähigkeit liegt unge-

fähr doppelt so hoch wie bei Diamanten – dembesten natürlich vorkommenden Wärmeleiter.

Um dieses Potenzial für die Werkstofftechno-logie gezielt nutzbar zu machen, werden inDeutschland bis zum Jahre 2015 insgesamt 280Mio. € investiert. Das Bundesministerium fürBildung und Forschung (BMBF) fördert dieInnovationsallianz CNT mit 40 Mio. €. Die Pro-jektpartner wollen insgesamt 240 Mio. € in die-ses Zukunftsfeld investieren. Direkt in das Pro-jekt investieren die beteiligten Partner in einemersten Schritt ebenfalls 40 Mio. €. Parallel hier-

zu und in den Jahren nach Projektende werdenin begleitenden und nachfolgenden F&E Akti-vitäten, in Infrastruktur und in Anlagen weitere200 Mio. € aufgebracht.

INNO.CNT: HERAUSRAGENDE

BEDEUTUNG FÜR DEN WIRTSCHAFTS-

STANDORT DEUTSCHLAND

Politisch basiert die Innovationsallianz CNT aufder Hightech-Strategie der Bundesregierungaus dem Jahr 2006, in der 17 Zukunftsfelderdefiniert worden sind, die für einen nachhalti-gen Aufschwung in Deutschland sorgen sollen.

Die Investitionen in Forschung und Entwicklungaus öffentlichen Mitteln wurden gleichzeitig miteiner Aufforderung an die Wirtschaft ver-bunden, selbst einen aktiven Beitrag zu leistenund sich entsprechend zu engagieren. In die-sem Umfeld entstand Inno.CNT, die auf die Er-schließung des wirtschaftlichen Potenzials derCarbon Nanotubes ausgerichtet ist.

Die Innovationsallianz CNT besteht aus 18 auf-einander abgestimmten Projekten (Abb. 4), dieüber einen Zeitraum von insgesamt vier Jahren(2008–2012) vom BMBF im Rahmenprogramm

Abbildung 1

links · CNT-Struktur

Abbildung 2

rechts · Baytubes®-Material

Abbildung 3

links · Fass mit antistatischen

Eigenschaften

Abbildung 4

rechts · Inno.CNT-Projektstruktur

41A U S G A B E 2 2 0 0 9

„Werkstoffinnovation für Industrie und Gesell-schaft (WING)“ gefördert werden. Drei Projektebeschäftigen sich mit Technologieentwick-

lung und erarbeiten Lösungen für die Herstel-lung, Funktionalisierung und Dispergierung vonCNTs. Insgesamt 14 Projekte verteilen sich aufdie Anwendungsfelder Energie & Umwelt,Leichtbau und Mobilität. Darüber hinaus

gibt es ein Projekt, dass sich mit den Quer-schnittsthemen Gesundheit, Sicherheit und

Qualität befasst. Die besondere Stärke derInnovationsallianz CNT besteht in der inten-

siven Vernetzung aller 18 Projekte. Dadurchkönnen das gesamte Know-how der Partnereffektiv genutzt und hohe Synergien generiertwerden.

QUERSCHNITTSTECHNOLOGIEN STEHEN

ALLEN PARTNERN DER INNOVATIONS-

ALLIANZ ZUR VERFÜGUNG.

I n d re i ü b e rg re i f e n d e nProjekten werden die Quer-schnittstechnologien derCNT-Initiative entwickelt.Konkret gehören dazu die Pro-jekte CarboScale, CarboFunkund CarboDis. Im TeilprojektC a r b o S c a l e werden dieGrundlagen für die technischeHerstellung (A b b . 5 ) vonCNTs erarbeitet und hinsicht-lich Produktqualität und effi-zienter Herstellmethoden op-timiert. Dabei spielt dieEntwicklung von modernenGenerationen hochaktiver Ka-talysatoren für den Einsatz imWirbelschichtverfahren (Abb.

6) eine wichtige Rolle. Da dieKatalysatoren einen wesent-lichen Einfluss auf Morpho-logie und Produkteigenschaf-ten der CNTs haben, müssenhier verbindliche technischeStandards geschaffen werden.

Das zweite Projekt – Carbo-

Funk – hat die Modifizierungund Funktionalisierung vonCNTs zur Aufgabe. Um dieEigenschaften der CNTs in denVerbundwerkstoffen zu nut-zen, ist eine homogene Ver-teilung im und eine guteAnbindung an das jeweiligeMatrixmaterial unerlässlich.Optimale Ergebnisse werdendabei erzielt, wenn die Ober-flächenenergie und -polaritätder CNTs an die gewählte Ma-trix angepasst ist.

Das dritte Projekt der Querschnittstechno-logien – CarboDis – beschäftigt sich mit Lö-sungen zur Dispergierung und Konfektionie-rung von CNTs. Ziel des Projektes ist es, die


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Abbildung 6

Prinzip des Wirbelschicht-

verfahrens

Abbildung 5

Baytubes®-Produktion

Einarbeitung von CNTs in unterschiedlichepolymere Strukturen besser zu verstehen undzu beherrschen. Da CNTs in der Regel agglo-meriert vorliegen (Abb. 7 und 8), müssen einegute Vereinzelung und eine gleichmäßige Ver-teilung in der umgebenden Matrix erreicht wer-den, indem beispielsweise Dispergierhilfsmit-tel zugesetzt werden.

PRAXISNAHE CNT-ANWENDUNGEN

AUF DEN GEBIETEN

ENERGIE & UMWELT

Grundlage der Innovationsallianz CNT ist eineenge Vernetzung der Querschnittstechnologienmit den drei Anwendungsfeldern der Initiative.Eines der zentralen gesellschaftsrelevantenAufgabengebiete ist der Bereich Energie & Um-welt. Deshalb fokussieren sich insgesamt fünf

Projekte der Initiative auf dieses Gebiet undentwickeln praktische Anwendungen für dieEnergiewandlung, Energiespeicherung undEnergieeinsparung.

Beispiel dafür ist das Projekt CarboInk, dassich auf die Entwicklung von modernsten Solar-zellen konzentriert (Abb. 9). Ziel des Projektesist es, innovative elektrisch leitfähige Tinten her-zustellen, die beim Bau von Solarzellen neueAkzente setzen können. Diese Technologiemacht das Herstellungsverfahren deutlich einfa-cher und verbessert gleichzeitig die Leitfähigkeit

und mechanische Beständigkeit der Solarzellen.Bei den Projekten CarboFuel und CarboPlate

stehen Verbesserungen der Brennstoffzellen-technologie im Fokus (Abb. 10). Durch die Ent-wicklung neuartiger Bipolarplatten und Gas-diffusionsschichten auf CNT-Basis lassen sichhier richtungsweisende Fortschritte erzielen, dieeinen wirtschaftlich rentablen Einsatz derBrennstoffzelle ermöglichen.

Auch in den Bereichen der Energiespeicherungund Energieeinsparung können CNTs zu we-sentlichen Verbesserungen beitragen. So er-arbeitet das Projekt CarboPower neuartigeLithium-Ionen-Batterien, die durch den Einsatzvon CNTs bei der Zyklenstabilität, im Hoch-stromverhalten und in der Energiedichte be-

Abbildung 10

rechts · Brennstoffzelle

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Abbildung 9

links · Flexible Solarzelle

Abbildung 7

links · CNT-Agglomerat

in grober Auflösung

Abbildung 8

rechts · CNT-Agglomerat

in feiner Auflösung

deutend wirkungsvoller werden. Das fünfteProjekt im Kompetenzfeld Energie & Umwelt istCarboMembran. Hier soll ein wichtigerBeitrag für eine sichere Trinkwasserversor-gung in weiten Teilen der Erde erbracht weden.

In diesem Projekt wird mit CNTs eine neuartigeMembran entwickelt, die die Meerwasser-entsalzung revolutioniert und bei der Gas-trennung (z. B. Abtrennung von CO2) eine ent-scheidende Rolle spielt. Diese fortschrittlicheMembran arbeitet nachweisbar energie-effizienter und weist zusätzlich eine prägnanteSteigerung der Produktivität auf.

INNOVATIVE CNT-LÖSUNGEN

SORGEN FÜR

EINE UMWELTFREUNDLICHE MOBILITÄT.

Neben den gestiegenen Anforderungen an denUmwelt- und Klimaschutz nehmen die An-sprüche an eine ebenso bezahlbare wie sichereMobilität stetig weiter zu. Deshalb hat sich dieInnovationsallianz CNT im KompetenzfeldMobilität zum Ziel gesetzt, durch innovativeHochleistungswerkstoffe einer umweltfreund-lichen Mobilität neue Impulse zu verleihen. Da-zu stehen in den vier Projekten CarboRoad,CarboAir, CarboSpace und CarboCar vorallem neue Faserverbundwerkstoffe für Kraft-fahrzeuge, Luft- und Raumfahrt im Vorder-grund. Hier können CNTs neue Werkstoffeigen-schaften ermöglichen, die im Transportsektorzu erheblichen Fortschritten bei Energie-effizienz, Umwelt- und Klimafreundlichkeitführen. Denn Werkstoffe auf CNT-Basis sindwesentlich leichter und erreichen gleichzeitigeine sehr hohe Stabilität. Die Gewichtsein-

sparungen werden sich direkt durch deutlichreduzierten Energieverbrauch sowie in ent-sprechend geringeren Emissionen nieder-schlagen – und das ohne Kompromisse beiSicherheit und Komfort (Abb. 11).

Auch im Bereich der Raumfahrt bieten dieHightech-CNT-Werkstoffe interessante Per-spektiven, die in den Projekten im Kompetenz-feld Mobilität konkretisiert und vorangetriebenwerden. Gerade dieser Industriebereich stelltextreme Materialanforderungen. Hier könnenCNTs ebenfalls völlig neue Materialien hervor-bringen, die beispielsweise bei geringeremGewicht und einer erhöhten mechanischenStabilität mit einer elektrischen und thermi-schen Leitfähigkeit und einer verbessertenTemperaturstabilität einhergehen. DieseEigenschaften können CNT-Materialien nichtzuletzt zu einem interessanten Werkstoff beimSatellitenbau machen.

CNT-ANWENDUNGEN

IM KOMPETENZFELD LEICHTBAU

MIT HOHEM MARKTPOTENZIAL

Auch im Leichtbau verfügen CNTs über ein ge-waltiges Innovationspotenzial, das sich auf ver-schiedenste Einsatzmöglichkeiten erstreckt.Dieser Bereich bildet das dritte Kompetenzfeldder Innovationsallianz CNT und besteht ausinsgesamt fünf Projekten. Bei CarboProtekt

steht die Entwicklung von neuen hochfestenCNT-Partikelschäumen – beispielsweise alsEnergieadsorptionselemente im Fahrzeugbauoder in Schutzausrüstungen – im Vordergrund.Darüber hinaus entwickeln die CNT-ProjekteCarboTube und CarboElast Kunststoffteilefür den Baubereich sowie Dichtungen auf Basisvon Elastomeren (Abb. 12), die durch CNTsdeutliche Vorteile in Bezug auf Reibung,Schmierung und Verschleiß bieten und verbes-serte elektrische und mechanische Eigen-schaften aufweisen. Im Projekt CarboMetal

werden CNTs festigkeitssteigernd in Metalle in-tegriert – vor allem in Leichtmetallen. Dadurchwerden neue Legierungen für vielfältige An-wendungen möglich.

Ein weiteres Projekt im Kompetenzfeld Leicht-bau ist CarboBau. Ziel dieses Projektes ist es,einen Ultrahochleistungsbeton zu entwickeln,bei dem CNTs zu einer erhöhten Stabilität undElastizität dieses vielseitigen Baumaterials bei-tragen. Damit werden grazile Betonbauten


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Abbildung 11

Motorboot mit CNT-Verstärkung

möglich, die der Architektur neue Dimensioneneröffnen. Mit Ultrahochleistungsbeton könntenzudem Wolkenkratzer oder Brückenbautengeschaffen werden, die heute in ihrer Form undGrößenordnung so noch nicht realisierbar sind.

SICHERHEIT UND QUALITÄT:

QUERSCHNITTSPROJEKT CARBOSAFE

HAT HÖCHSTE PRIORITÄT.

Mit der gemeinsamen Arbeit in den Quer-schnittstechnologien und den Projekten derAnwendungsfelder schafft Inno.CNT ein ausge-zeichnetes Fundament, um der Werkstoff-technologie in Deutschland neuen Schwung zugeben. Gleichzeitig müssen aber auch Fragenbeantwortet werden, die mögliche Auswirkun-gen von CNTs auf die Gesundheit der Menschenund auf die Umwelt berücksichtigen. Dazumüssen mögliche Risiken von CNTs bewertetund angemessen kommuniziert werden.Voraussetzung für die Risikobewertung und -kommunikation sind ein möglichst fundiertes

Wissen über Ausgangslage und Toxizität so-wie die Entwicklung entsprechender Test-methoden.

Diesen Herausforderungen stellt sich dieInno.CNT mit dem ProjektCarboSafe , das als Quer-schnittsthema die Arbeiten inallen anderen Projekten er-gänzt. Dabei will CarboSafedas ökotoxikologische Poten-zial von CNTs innerhalb deranvisierten Applikationenidentifizieren und das Risiko-potenzial durch Anwendungvon fundierten Messtechno-logien präzise abschätzen. Ineinem ersten Schritt werdendazu Messtechnologien ent-wickelt, mit denen die Frei-setzungsraten von Nanopar-tikeln im Lebenszyklus derCNT-Produkte innerhalb derAnwendungsfelder eindeutignachgewiesen werden kön-nen. CarboSafe baut hierzuauf Wissen auf, welches inbe iden BMBF-Pro jektenT R AC E R und N A N O CA R E

erarbeitet wurde.

Alle Inno.CNT-Partner (Abb.

13) sind sich darin einig, dassdas Vertrauen in kommendeCNT-Anwendungen von derSicherheit und der gesund-heitlichen Unbedenklichkeitder Endprodukte abhängt.Deshalb setzt Inno.CNT auf

einen offenen, transparenten und kontinuier-lichen Dialog mit der Öffentlichkeit. Dies betrifftselbstverständlich nicht nur den wichtigen Be-reich der Sicherheit.

KONTAKT

Dr. Péter KrügerBayer MaterialScience AGD–51368 Leverkusen

Internet www.inno-cnt.de


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Abbildung 12

Elastomere im Zugtest

Abbildung 13

Teilnehmer des ersten Inno.CNT-

Clustertreffens

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Die offizielle Eröffnung der Veranstaltung über-nimmt Udo Mager, Geschäftsführer der Wirt-schaftsförderung Dortmund. Im Anschluss stelltProfessor Dr. Andreas Pinkwart, nordrhein-west-fälischer Minister für Innovation, Forschung,Wissenschaft und Technologie, die Strategiendes Landes auf dem Gebiet der Nanotechno-logie vor. Bis zum Abend stehen dann verschie-dene Themenfelder rund um die kleinsten Teil-chen und Strukturen auf dem Programm. DieVeranstaltung greift unter anderem die Aspekte„Nanotechnologie und Gesundheit: Chancen undRisiken“ sowie „Optische Eigenschaften“ auf. EinKernthema bildet der Transfer von Forschungs-ergebnissen in die Praxis, zu dem Experten ausWissenschaft und Wirtschaft Erfolgsprojektepräsentieren.

Am zweiten Konferenztag finden vertiefendeSessions zu den vier Themenbereichen „Nano-technologie in der Energiewirtschaft“, „For-schungs- und Entwicklungslandschaft NRW“,„Kooperationen zwischen NRW und Russland“sowie „Chancen und Risiken der Nanotechno-logie“ statt. In einer Begleitausstellung präsen-tieren sich während der gesamten Konferenz

zudem Unternehmen, Institute und Forschungs-einrichtungen aus ganz Nordrhein-Westfalen.Wie schon zur Premiere werden auch in diesemJahr mehrere hundert Teilnehmer aus dem In-und Ausland erwartet.

Dortmund konnte sich nicht zuletzt deshalb alsGastgeber der NRW Nano-Konferenz etablie-ren, weil der Standort als einer der größtenMikro/-Nanotechnologie-Cluster in Deutschlandeinen ausgezeichneten Ruf genießt. In den ver-gangenen Jahren hat sich vor Ort ein breitesNetzwerk aus Unternehmen, wissenschaftlichenEinrichtungen, Kompetenzzentren und Hoch-schulen entwickelt. Veranstalter der 2. NRWNano-Konferenz ist die WirtschaftsförderungDortmund gemeinsam mit dem Ministerium fürInnovation, Wissenschaft, Forschung und Tech-nologie des Landes NRW. Partner sind dieMST.factory dortmund und der Fachverband fürMikrotechnik IVAM.

Weitere Informationen sowie das Formular zurAnmeldung finden Sie im Internet unterwww.nanokonferenz.de

Q u e l l e : W i r t s c h a f t s f ö r d e r u n g D o r t m u n d

Nach der erfolgreichen Premiere im vergangenen Jahr lädt die Wirtschafts-

förderung Dortmund gemeinsam mit dem nordrhein-westfälischen Innovations-

ministerium zur 2. NRW Nano-Konferenz ein. Am 22. und 23. Juni 2009 steht das

Kongresszentrum Westfalenhallen Dortmund ganz im Zeichen von Technik

im Miniaturformat. Im Mittelpunkt stehen Themen der Nanotechnologie aus

Sicht von Anwendern und Forschern. Die Anmeldung ist im Internet unter

www.nanokonferenz.de möglich.

Kontakt:

dortmund-project

Wirtschaftsförderung Dortmund

Töllnerstraße 9-11

D-44122 Dortmund

www.dortmund-project.de

Die Zukunft zu Gast in Dortmund

Am 22. und 23. Juni öffnet der Nanotechnologie-Standort

seine Tore zur 2. NRW Nano-Konferenz

AUTOR

Dr. Robert Harrison ist Part-ner in der Kanzlei 24IP LawGroup und arbeitet dort über-wiegend mit Venture-Capitalund Private Equity-finanzier-ten Firmen, um den Wert ihrerSchutzrechte zu erhöhen. Er unterstützt Unternehmenbeim Aufbau einer Lizenz-strategie und bei der Durch-setzung deren Rechte. Er istMitglied des Ausschusses„Patentbewertung“ der Patentanwaltskammer. Dr. Robert Harrison hat einenBachelor-Abschluss in Physikvon der Universität Oxford und einen Master-Abschlussin Festkörperphysik von derUniversität Sheffield. Nach Abschluss seiner Pro-motion in der Halbleitertech-nik an der Universität Shef-field arbeitete er als Prüferbeim Europäischen Patent,bevor er zum Unternehmens-bereich Patentwesen und Ur-heberrecht der IBM Deutsch-land wechselte, wo er dieAusbildung zum DeutschenPatentanwalt, EuropeanPatent Attorney und EuropeanTrade Mark Attorney absol-vierte. Er war EuropeanIntellectual Property Counselfür W.L.Gore & Associates zwischen 1995 und 2001.

Der Blick in den Patentdatenbanken zeigt, dassnicht nur viele Großunternehmen in diesemBereich investieren. Eine genauere Analyse derPatentanmeldungen zeigt, dass die Anzahl vonPatenten von Universitäten und Forschungsein-richtung sehr hoch istii. Viele kleine Firmen sindaus Universitäten oder Forschungsinstitutenentstanden und haben eine breite Technologie-plattform – aber selten konkrete Produkte.Dennoch haben diese Firmen ein wertvollesKnow-how entwickelt, das Anwendungen in vie-len Bereichen findet. Die Kommerzialisierungdieses „geistigen Eigentums“ oder – in Neu-deutsch – des Intellectual Propertys ist für dieFirmenleitung und auch Investoren wichtig, umdas Potential der Unternehmen zu realisieren.Leider scheitert häufig eine erfolgreiche Kom-merzialisierung auf Grund von einer fehlendenStrategie zum Schutz der Nanoideen.

WAS IST INTELLECTUAL PROPERTY?

Intellectual Property (IP) ist die Gesamtsummedes Wissens eines Unternehmens. Es beinhaltetnicht nur Marken, Copyrights und Patente, son-dern auch das undokumentierte Wissen einesIngenieurs, und Betriebsgeheimnisse. Eine er-folgreiche Kommerzialisierung des Wissenssetzt nicht nur gute Ideen voraus, sondern aucheine überlegte Strategie zum Schutz dieserIdeen. Patentanmeldungen alleine reichen nicht

aus – sie müssen im Einklang mit der Ge-schäftsstrategie sein. Texas Instruments besaßdas erste Patent auf eine integrierte Schaltungiii

und kassierte jahrelang nicht nur Gewinnedurch den Verkauf von Bauelementen, sondernauch durch die Lizenzierung der Technologie.Damals hatte Texas Instruments eine kompletteFamilie von Patentanmeldungen eingereicht,um sowohl ihre kommerziellen Interessen alsauch die Technologie zu schützen.

INTELLECTUAL PROPERTY AUDITS

Der wichtigste Prozess für die Identifizierungvon wertvollen Nanoideen für ein Unternehmenist der IP-Audit. Bei solchen Audits werden wert-volle Ideen für das Unternehmen identifiziert.Wichtig ist eine Beteiligung sowohl des techni-schen Personals als auch der zuständigen Kol-legen für den Vertrieb und Businessdevelop-ment. Hier werden nicht nur die technischen„kniffligen“ Ideen aufgetan, die ohnehin zumPatentschutz angemeldet werden sollen. Vor-schläge über die Kommerzialisierung der Ideenwerden auch beurteilt und können in der Pa-tentanmeldung aufgenommen werden. Es kön-nen auch Ideen identifiziert werden, für diePatentschutz nicht in Frage kommt. Zum Bei-spiel kann ein neuer Herstellungsprozess ohneerkennbare Wahrnehmung bei der Außenweltbesser als „Betriebsgeheimnisse“ geschützt

Q u e l l e : 2 4 I P L a w G r o u p

Nanoideen mögen zwar die kleinsten Ideen in der Welt sein – aber zweifelsohne sind

sie Ideen mit einer großen Zukunft. Überall wird in der Nanotechnologie investiert –

und auch die jährliche Anzahl von Patentanmeldungen steigt kontinuierlich (siehe

Tabelle 1). Geld wird nicht nur durch den Staat investiert, auch private Investoren

finanzieren Forschung und Entwicklungi. Ein cleveres Management von Patenten

und anderen Schutzrechten unterstützt die Wertsteigerung eines Unternehmens.

Audits und Managementvon Intellectual Property

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i USD 702 million wurde imJahr 2007 investiert undUSD 738 Million im Jahr2006.

ii Chen et al „Trends in Nano-technology Patents“, Nature Nanotechnology, Vol 3, March 2009, page 124.

iii Jack Kilby gilt als Erfinder,see http://www.ti.com/corp/docs/kilbyctr/jackbuilt.shtml,abgerufen am 2. Juli 2008.

iv Richtlinien für die Prüfungim Europäischen Patent-amt, Teil C, Kapitel IV,Anlage, 1.1 –http://www.epo.org/patents/law/legal-texts/html/guiex/d/c_iva_1_1.htm, abgerufenam 2. Juli 2008.

v US PTO BPAI Appeal 2007-2211 vom 30. Januar 2008.

vi Kallinger et al „PatentingNanotechnology: a European Patent OfficePerspective“, Journal ofNanotechnology Law andBusiness, Spring 2008, 95ff.

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werden. Die Einreichung einer Patentanmel-dung würde nur die technischen Angaben überden Prozess offenbaren und eine Nachahmungdurch Wettbewerber erlauben.

Die Durchführung des Audits gibt Aufschlussüber das Wertpotential des Unternehmens underlaubt eine Evaluierung der identifiziertenIdeen. Daraus ergibt sich nicht selten, dass einetechnisch sehr gute Idee in der Praxis kommer-ziell uninteressant ist. Das Unternehmen könn-te zwar eine Patentanmeldung einreichen, aberdie Kosten würden die erwarteten Einnahmenübersteigen.

ERFOLGREICHE PATENTE

Patente sind für Nanofirmen die wichtigstenSchutzrechte. Die Ausarbeitung einer Patentan-meldung verwendet die Ergebnisse des IP-Audits und nutzt Kenntnisse der möglichenAnwendungsfelder, um den Wert des Patents zusteigern. Bei einer Lizenzierung der patentier-ten Erfindung wird häufig eine Lizenzgebühr be-rechnet an Hand des Wertes des patentiertenGegenstands berechnet. Ein patentiertes Koh-lenanoröhrchen (CNT) hat einen wesentlichgeringeren Wert als zum Beispiel die Verwen-dung der CNT in einer Solarzelle.

Patente müssen auch die gesetzlichen Erforder-nisse der Neuheit und erfinderischen Tätigkeiterfüllen. Inzwischen sind einige Entscheidungender Patentämter zum Thema Nanopatente er-gangen, aus der hervorgeht, dass es nicht reicht,eine neue „kleinere“ Struktur zu entwickeln. DasEuropäische Patentamt schreibt in seinen Richt-linien vor, dass die Verwendung von bekanntenMaßnahmen nicht ausreiche, um eine Erfindung

patentfähig zu machen, auch wenn die Strukturan sich neu istiv.

Das US Patentamt hat neuerdings entschieden,dass eine Patentanmeldung über Molybdenum-oxid-Nanopartikel nicht erteilt werden darf, daein ähnliches Partikel in einer früheren Ver-öffentlichung beschrieben wurde. Die Patentan-melderin hatte argumentiert, dass die zweiNanopartikel unterschiedlich sind – aber hattediese Unterschiede in der Anmeldung nicht aus-reichend beschrieben. Die Beschwerdekammerzeigte keine Gnade und wies die Anmeldungzurückv.

Allerdings haben Prüfer aus dem EuropäischenPatentamt darauf hingewiesen, dass Erfindun-gen mit einer unerwarteten technologischenWirkung patentfähig sindvi. Erfinder sollten auchdiese unerwarteten Wirkungen in der Patentan-meldung klar und ausführlich beschreiben.Zwar können Vergleichsbeispiele später beimPatentamt eingereicht werden – diese werdenerfahrungsgemäß weniger als die Angaben inder ursprünglichen Anmeldung beachtet.

AUSBLICK

Durch den IP-Audit und Ideen-Managementkönnen Unternehmen ihr Potential besser aus-nutzen, um erfolgreich zu werden. Das Beispielvon Texas Instruments zeigt das eine durchge-dachte IP-Strategie wesentlich zum Wert desUnternehmens beiträgt.

Y01-Gruppe

Y01N2Y01N4

Y01N6

Y01N8

Y01N10Y01N12

Anzahl von Patentfamilien

17.88639.558

42.132

15.294

22.929 18.261

Tabelle 1

Nanotechnologie-Patente in ESPACENET Datenbank

des Europäischen Patentamts (R Harrison, 1. April 2009)

49A U S G A B E 2 2 0 0 9

Bezeichnung

Nanobiotechnologie Nanotechnologie zurInformationsverarbeitung,Speicherung undDatenübertragung Nanotechnologie für Stoffe undOberflächenwissenschaft Nanotechnologie für Interaktion,Abtastung und Aktuatoren NanooptikNanopartikel

A U S G A B E 2 2 0 0 950

Der High-Tech Gründerfonds investiert Eigen-kapital in junge Technologieunternehmen wieein privater Geldgeber, jedoch auch unter För-dergesichtspunkten. Letzteres bedeutet bei-spielsweise, dass der Fonds bewusst höhereRisiken eingeht als private Geldgeber. Mithilfeeiner „Seedfinanzierung“ sollen die Start-Upsentsprechend dem Technologiefokus und demBranchenschwerpunkt die Technologie bis zumPrototypen („proof of concepts“) oder zur Markt-einführung („proof of market“) führen. Dabei hatder Fonds keinen speziellen Branchenfokus. Diebisher finanzierten Unternehmen kommen ausden Bereichen Automation, Optische Technolo-gien, Hardware, Life Science, Energie sowie IT,Software, Medien und Internet.

Darüber hinaus investiert der High-Tech Grün-derfonds zu Standardkonditionen typischerwei-se 500.000 Euro und beteiligt sich damit zu 15 %an einem Unternehmen. Maximal kann durchden High-Tech Gründerfonds eine Million Euroin ein Unternehmen investiert werden. Erwartet

Quelle: High-Tech Gründerfonds Management GmbH

Der High-Tech Gründerfonds investiert seit September 2005 gezielt in junge High-

Tech Unternehmen in Deutschland. Als so genannte Public-Private Partnership

haben nicht nur der Bund über das Bundesministerium für Wirtschaft und

Technologie (BMWi) und die KfW, sondern auch die Industrieunternehmen BASF,

Deutsche Telekom, Siemens, Daimler, Robert Bosch und Carl Zeiss in den 272 Mio.

Euro schweren Fonds investiert.

Kontakt:

High-Tech Gründerfonds

Management GmbH

Ludwig-Erhard-Allee 2

D-53175 Bonn

Tel.: +49 (0)228 965685-00

Fax: +49 (0)228 965685-50

E-Mail: info@high-tech-

gruenderfonds.de

wird, dass sich auch das Gründerteam mit eige-nen Mitteln zwischen 50.000 und 100.000 Eurobeteiligt. Bis zu einer Höhe von 200.000 Eurokönnen Sideinvestoren wie Business Angelsoder Seedfonds gemeinsam mit dem High-TechGründerfonds investieren.

Seit Gründung hat der High-Tech Gründerfonds173 Beteiligungen zugesagt und externes Ka-pital mit einem Volumen von 95,30 Mio. Euro im Rahmen von 77 Anschlussfinanzierungen(Stand 31. Januar 2009) einwerben können.Dies ist zugleich ein Indiz dafür, wie gut dasNetzwerk des High-Tech Gründerfonds in Be-zug auf Business Angels, Seedfonds, Investorenund Kooperationspartner funktioniert. Ziel istes, in weiteren drei Jahren jährlich ca. fünfzigUnternehmen zu finanzieren.

WEITERE INFORMATIONEN zum High-TechGründerfonds sind unter der Web Sitewww.high-tech-gruenderfonds.de zu finden.

High-Tech Gründer-fonds – Eigenkapitalfür junge Technologie-unternehmen

51A U S G A B E 2 2 0 0 9

AUTOR

Dr. Gerd Bachmann


A U S G A B E 2 2 0 0 952

Nano made in Germany

Die Nanotechnologie beschreibt eine interdisziplinäre und branchenübergrei-

fende Herangehensweise für technologische Innovationen bspw. in der Elektro-

nik, der Optik, der Biotechnologie oder bei neuen Materialien. Wesentliche Ele-

mente der Nanotechnologie sind die Herstellung nanoskaliger Strukturen für

die fortschreitende Miniaturisierung technischer Systeme, die kontrollierte As-

semblierung von Atomen und Molekülen zu technisch nutzbaren Komponenten,

die zunehmende Intergration biologischer Vielfalt sowie die Aufklärung und das

Verständnis physikochemischer Phänomene und Materialeigenschaften durch

nanoanalytische Strukturaufklärung.

ENTSTEHUNG EINES INTER-

DISZIPLINÄREN THEMENFELDES

MIT MARKTPOTENTIAL

Nanotechnologie in diesem Sinne hat sich alsTechnologietrend seit Ende der 80er Jahre ent-wickelt, wobei grundlegende Technologien wiedie Beschichtungstechnologien, die ultrapräzi-se Oberflächenbearbeitung oder die Synthesenanopartikulärer Materialien bereits einen ho-hen Entwicklungsstand erreicht hatten. Meilen-steine, die den Begriff und den Technologie-trend der Nanotechnologie geprägt haben,waren unter anderem die Erfindung des Ras-tertunnelmikroskops im Jahr 1981 sowie dieEntdeckung der Fullerene 1985 und derKohlenstoffnanoröhren 1991, die jeweils einenSchub in den Forschungsaktivitäten im jeweili-gen Bereich ausgelöst hatten und mit hohenErwartungen hinsichtlich der technologischenPotenziale verknüpft waren.

Heute gilt die Nanotechnologie weltweit alseine der wichtigsten Schlüssel- und Quer-schnittstechnologien für neue Märkte. Dahersteigen die öffentlichen Förderinvestitionenweltweit stetig an und belaufen sich mittler-weile auf über 4 Mrd. $ pro Jahr. Die USA,Europa und Japan liegen hier im öffentlichenEngagement etwa gleich auf, doch insbesonde-

re in Südostasien oder Russland steigen dieForschungsinvestitionen ebenfalls stark an.Russland alleine plant Milliardeninvestitionenin den nächsten drei Jahren. Dieses enormestaatliche Engagement wird getrieben von ho-hen Erwartungen hinsichtlich des volkswirt-schaftlichen Nutzens in Form von Produktenund Arbeitsplätzen, die unmittelbar an nano-technologische Entwicklungen gekoppelt sind.Doch entgegen den z. T. postulierten revolutio-nären Technologiesprüngen sind in der Vergan-genheit eher evolutionäre Entwicklungen undinkrementelle Technologieverbesserungen zuverzeichnen gewesen. Oftmals unterschätztwurden auch die Zeiträume, die für die Umset-zung nanotechnologischer Ansätze wie bei-spielsweise der Nanopartikel basierten Krebs-therapie in Produkte und Anwendungenbenötigt werden. Je nach Anwendungsfeldkann der Entwicklungszeitraum bis zur erstenKommerzialisierung bis zu 15 Jahren oder so-gar länger dauern.

Um die Vernetzung und Clusterbildung in derNanotechnologie voranzutreiben, wurden 1998sechs virtuelle Kompetenzzentren mit För-derung des BMBF eingerichtet, die Bereicheder Öffentlichkeitsarbeit sowie der KMU-Beratung adressieren, als Interessenvertretung

Rückblick auf die bisherigen Entwicklungen

ihrer Mitglieder oder auch als Organisator vonMachbarkeitsstudien tätig sind. Ebenfalls in-tensiviert wurden in den letzten Jahren dieAktivitäten im Rahmen innovationsbegleitenderMaßnahmen, der Nachwuchsarbeit und Weiter-bildung sowie dem öffentlichen Diskurs zuChancen und Risiken der Nanotechnologie.

VON DER GRUNDLAGENFÖRDERUNG

ZUR HIGHTECH-STRATEGIE

DER BUNDESREGIERUNG

In der inhaltlichen und strategischen Aus-gestaltung der Förderaktivitäten hat sich in denletzten 15 Jahren ein deutlicher Wandel vollzo-gen. Während die ersten Nanotechnologie-projekte des Bundesministeriums für Bildungund Forschung (BMBF) Ende der 80er Jahrenoch deutlich Grundlagen orientiert ausgerich-tet waren, wechselte die Ausrichtung mit zu-nehmendem Industrieinteresse hin zu mehrAnwendungsorientierung in industriellen Ver-bundvorhaben, die im Zuge einer strategischenNeuausrichtung des BMBF mittlerweile ingesellschaftlich und volkswirtschaftlich beson-ders relevanten Leitinnovationen und Innova-tionsallianzen gebündelt werden.

Da speziell in Deutschland industrielle Erfolgean Zukunftsmärkte gekoppelt sind, hat dieBundesregierung 2006 die Hightech-Strategieins Leben gerufen, deren Ziele auf für die Ge-sellschaft wichtige Bereiche in Medizin und Ge-sundheit, Klima, Energie und Umwelt, Mobilitätund Kommunikation ausgerichtet sind. Durcheine koordinierte Innovationspolitik sollDeutschland wettbewerbsfähig für die Märkteder Zukunft bleiben. Dazu gehört natürlichauch eine lernende Gesellschaft und verant-wortungsvolles Handeln. Die Nanotechnologie

treibt diese Zukunftsmärkte mit an. Um derenPotentiale für Deutschland umfassend zu nut-zen und die Verwertung möglichst lückenlosund nachhaltig zu gestalten bündeln acht Mi-nisterien ihre ressortübergreifenden Aktivitä-ten im Rahmen des „Nano-Initiative – Aktions-plan 2010“ in fünf Aktionslinien:

1. Zukunftsfelder erschließen und neueBranchen heranführen,

2. Günstige Rahmenbedingungen für Wissen-schaft und Wirtschaft schaffen,

3. Risiken erkennen und für einen verantwor-tungsvollen Umgang sorgen,

4. Information und Einbezug der Öffentlich-keit,

5. Forschungbedarf für morgen identifizieren.

Abbildung 1

Generelle Entwicklungstenden-

zen und Bezug zur Nanotechno-

logie · Quelle: VDI TZ

53A U S G A B E 2 2 0 0 9

Abbildung 2

Zeitliche Entwicklung des

Fördervolumens des BMBF ·

Quelle: VDI TZ

Zweifellos liegt die wirtschaftliche Bedeutungder Nanotechnologie vor allem in ihrer Schritt-macherfunktion. Sie setzt als „enabling techno-logy“ früh in der Wertschöpfungskette an undermöglicht durch neue Produktionsansätze undneue Materialien und Komponenten intelligen-tere und leistungsfähigere Produkte. Dabei istDeutschland bei der nanotechnologischenGrundlagenforschung gut aufgestellt. Und auchdie industrielle Basis für die Verwertung derForschungsergebnisse ist mit derzeit etwa 750Unternehmen vorhanden, die sich mit der Ent-wicklung, Anwendung und dem Vertrieb nano-technologischer Produkte befassen.

FÖRDERPORTFOLIO

ALS INNOVATIONSTREIBER

In den letzten 15 Jahren unterstützten haupt-sächlich das BMBF und institutionelle Förder-einrichtungen Projekte in der Nanotechnologie.

Mitte der 90er Jahre setzte sich im BMBFzunehmend die Auffassung durch, dass dieNanotechnologie weniger als ein Bündel unter-schiedlicher Einzeltechnologien zu betrachtenist, sondern vielmehr als disziplinenübergrei-fende Querschnittstechnologie mit einer brei-ten Innovationswirkung in fast allen Wirt-schaftsbranchen und gesellschaftlichenThemenfeldern gefördert werden sollte. DieProjektfördermittel des BMBF haben sich seitAnfang der 90er Jahre mehr als verzehnfachtund betragen im Jahr 2008 ca. 165 Mio. Euro. Injüngerer Zeit kamen zunehmend auch

Fördervorhaben des BMWi und anderer Res-sorts hinzu. Daneben gibt es die institutionelleFörderung und – nicht unwesentlich – die För-derbeiträge der einzelnen Bundesländer. Ins-gesamt werden von der öffentlichen Hand inDeutschland derzeit ca. 430 Mio Euro/Jahr zurUnterstützung nanotechnologischer Forschungund Entwicklung bereitgestellt.

Neben der bereits seit Jahrzehnten etabliertenklassischen Verbundprojektförderung werdendurch die Initiierung von Branchendialogennanotechnologische Erkenntnisse aus denLaboren in die Unternehmen geholt und inmarktfähige Produkte überführt. Die Dialogezielen insbesondere auf mittelständische Un-ternehmen in klassischen Wirtschaftsbran-chen, die die Chancen der Nanotechnologie oft-mals noch nicht erkannt haben. Zur Sicherungund zum Ausbau bestehender Märkte werdenLeitinnovationen und Innovationsallianzen ein-

gesetzt, also strategisch angelegte For-schungskooperationen in wichtigen Markt-bereichen, wie Automobilbau, Optik, Chemie,Energieversorgung oder Medizintechnik. Umdie Ideen junger Unternehmen auf eine solideerste Basis zu stellen, wurde die Förderaktivität„Nanochance“ für Start-ups und innovations-freudige KMU begonnen. Damit der Techno-logietransfer gleich vom Beginn einer Entwick-lung an mit allen notwendigen Akteurenaufgebaut wird, werden Kompetenzzentren, dieauf schlagkräftigen Netzwerken aus Wissen-schafts- und Wirtschaftsvertretern basieren,


A U S G A B E 2 2 0 0 954

genutzt. Aktuell haben sich die BMBF geförder-ten Netzwerke zur Arbeitsgemeinschaft derNanotechnologie-Kompetenzzentren Deutsch-lands zusammengeschlossen (AGeNT-D).

CHANCEN-RISIKO-KOMMUNIKATION

Um den Kenntnisstand in der Bevölkerung zuChancen, aber auch möglichen Risiken derNanotechnologie zu erweitern und einen inten-siven Dialog mit allen beteiligten gesellschaft-lichen Interessensvertretern zu initiieren, hatdie Bundesregierung in den letzten Jahren um-fangreiche Maßnahmen eingeleitet. Das BMBFhat frühzeitig und konsequent auf eine aktiveund offene Risikokommunikation gesetzt. EinElement ist die nanoTruck-Initiative, die jähr-lich etwa 100.000 Besucher erreicht (vgl.Artikel von Baron et al. im gleichen Magazin).Weiterhin werden durch Broschüren, Internet-portale, CDs, Videos, Stakeholderdialoge,Verbraucherkonferenzen und Unterrichtsmate-rialien den Bürgerinnen und Bürgern, denSchülerinnen und Schülern sachgerechte Infor-mationen zur Verfügung gestellt und Aus-bildungsmöglichkeiten aufgezeigt.

Zudem hat das BMBF sein Engagement in derForschungsförderung zu (öko-) toxikologischenWirkungen von Nanomaterialien im Projekt-Cluster NanoCare in den letzten Jahren deut-lich ausgeweitet. Ein sicherer Umgang mit derNanotechnologie wird sich weltweit allerdingsnur durch international harmonisierte Produkt-und Sicherheitsstandards erreichen lassen. DieBundesregierung unterstützt dazu zahlreicheInitiativen zur internationalen Koordination wiebeispielsweise den Nanotechnologie-Aktions-plan der Europäischen Kommission, den „inter-national dialogue on responsible nanotechnolo-gy“ oder die Aktivitäten der OECD und hat unterder Federführung des BMU eine Nanokommis-sion ins Leben gerufen, die den Dialogprozessnational und international mitgestaltet.

FORSCHUNSGMARKETING UND INTER-

NATIONALE KOOPERATIONEN

Die weltweit wirtschaftliche Arbeitsteilung istständigen und schnellen Veränderungen unter-worfen, oftmals mit tiefgreifenden ökonomi-schen und sozialen Folgen. Dies erfordertneben der Förderung von Forschung und Wis-senschaft im eigenen Land auch eine verstärk-te Nutzung der sich durch die Globalisierung

und Internationalisierung ergebenden neuenChancen. Diese bestehen vor allem darin,durch Kooperations- und Austauschprozesseinternational verfügbares Wissen und techno-logisches Know-how in nationale Innovations-prozesse zu integrieren und dadurch denZugang zu international bestehenden For-schungsinfrastrukturen und Forschungsmärk-ten zu beschleunigen. Für Innovationen undArbeitsplätze ist es zudem erforderlich, dasweltweit vorhandene Wissen besser für denStandort Deutschland verfügbar zu machen.

Im Rahmen eines Forschungsmarketings wer-den daher FuE-Arbeiten aus Deutschland deminternationalen Publikum verstärkt präsentiert,es sollen Spitzenforscher für deutsche For-schungseinrichtungen gewonnen werden. Da-bei sollen internationale Kooperationen zwi-schen Forschungseinrichtungen unterstützendwirken.

KONTAKT

Dr. Gerd BachmannVDI Technologiezentrum GmbHAbteilung Zukünftige Technologien ConsultingDüsseldorfE-Mail [email protected]

Umfassende Informationen zur Nanotechno-logie finden sich unter

www.bmbf.de/de/nanotechnologie

www.bmu.de/nanotechnologie

www.nanonet.de

Abbildung 3

Automobil-Exponat auf dem

Nanotechnologie-Präsentations-

bereich der German Area bei

der nanotech-Messe in Tokyo ·

Quelle: VDI TZ

55A U S G A B E 2 2 0 0 9

AUTOR

Hermann Schirra Konventionelle Desinfektions-mittel töten innerhalb einesbestimmten, von der DGHM (Deutsche Gesellschaft fürHygiene und Mikrobiologie)d e f i n i e r t e n Z e i t r a u m e s99,999 % der Keime an derOberfläche ab. Dieser Ab-tötungseffekt zeigt aber keinenachhaltige Wirkung. NachVerdunsten des Lösemittels(Alkohol oder Wasser) zeigtdie desinfizierte Oberflächekeine antimikrobielle Wirk-samkeit mehr und kann sehrschnell wieder kontaminiertwerden. Nach gültigen Richt-linien müssen die patienten-nahen Oberflächen nur min-destens einmal täglich des-infiziert werden. So entstehtzwangsläufig eine Hygiene-lücke, in welcher Keime an


A U S G A B E 2 2 0 0 956

Jedes Jahr infizieren sich allein in deutschen Kliniken etwa 500.000 Patienten

mit so genannten Hospitalkeimen. Zehn Prozent dieser nosokomialen Infektio-

nen, also etwa 50.000 Fälle, enden tödlich. Dafür gibt es verschiedene Ursachen:

Immer mehr Keime werden resistent gegen Antibiotika, oder patientennahe Be-

reiche werden unzureichend oder falsch flächendesinfiziert.

Desinfektion mit nachhaltigerHygienewirkung

Der nanotechnologische Lösungsansatz

Bild 1

der Oberfläche wachsen und übertragen wer-den können (Bild 1).

Die Keimübertragung kann an unterschied-lichen Orten stattfinden (Bild 2).

DER NANOTECHNOLOGISCHE

LÖSUNGSANSATZ

Die Sarastro GmbH fand die Lösung desProblems, indem sie zwei bekannte Techno-logien miteinander kombinierte. Einerseitsexistieren bereits Desinfektionsmittel, die inder Lage sind, die besagte desinfizierendeWirksamkeit in der Flüssigphase zu etablieren,ohne allerdings nachhaltig zu wirken. Anderer-seits gibt es nanotechnologisch basierteBeschichtungssysteme, die zwar keine Ober-flächendesinfektion bewirken, die aber dieOberfläche mit einer antimikrobiellen Lang-zeitwirkung versehen können. Diese zum Teilauf Nanosilber basierenden Systeme werdenbereits in vielen Produkten, auch von saar-ländischen Unternehmen, eingesetzt.

Um eine Basis für Desinfektionsmittel mit anti-mikrobieller Nachhaltigkeit zu entwickeln,musste also das Flüssigstadium der „Beschich-tungslösung“ so generiert werden, dass diesesdesinfizierende Eigenschaften hat und nachdem „Aushärten“ der „Beschichtung“ ein sehrdünner Film mit nachhaltiger Wirkung aus-gebildet wird.

Idealerweise bietet sich hierzu der so genannteSol-Gel-Prozess an, in welchem über einenflüssigen Sol-Zustand eine feste Gel-Phaseausgebildet wird (Bild 3 a/b)

Bild 2

57A U S G A B E 2 2 0 0 9

a

Me(OR)n + m H2O → Me(OR)n–m(OH)m + m ROH . . . . . . . . . . . . . . . . (1)

Si(OEt)4 + 4 H2O → Si(OH)4 + 4 EtOH . . . . . . . . . . . . . . . . (2)

b

≡MeOH + HOMe≡ → ≡Me-O-Me≡ + H2O „Wasser“-Kondensation (3)

≡MeOR + HOMe≡ → ≡Me-O-Me≡ + ROH „Alkohol“-Kondensation (4)

mit Me = Si, Al, Ti, Zr …

Bild 3

ERGEBNIS: NACHHALTIGE

DESINFEKTION

Durch die Verwendung derSol-Gel-Technologie konntenDesinfektionsmittel entwickeltwerden, die zur Desinfektionvon Medizinprodukten in Klini-ken zugelassen wurden unddie – über den Einbau medizi-nisch zugelassener, keim-abtötender Komponenten(Biozide) – nachhaltig keim-abtötend wirken. Die Biozidewerden in die Porosität dessich ausbildenden Sol-Gel-Schwammes eingelagert undbei Kontakt mit Wasser (Bak-terien und Pilze tragen immereine Wasserhülle mit sich)ausgelaugt. Mit einem an-erkannten mikrobiologischenTest (ASTM E 2180) konnteeine Langzeitwirkung des

Effekts über zehn Tage nachgewiesen werden. Die Einlagerungder kristallinen Biozide ist in Bild 4 polarisationsmikroskopischdargestellt. B i l d 5 zeigt elektronenmikroskopisch dieschwammartige Struktur der ausgebildeten Matrix in Abwesen-heit der Biozide.

Zusätzlich konnte das „Langzeitdesinfektionsmittel“ chemischso gestaltet werden, dass die damit behandelte Oberfläche einenum 50 % reduzierten Reinigungsaufwand aufweist (Bild 6).

Resultat der Entwicklung ist ein Material, mit dem es möglichist, die in Bild 1 dargestellte Hygienelücke zu schließen undsomit die Patientensicherheit drastisch zu erhöhen (Bild 7).


A U S G A B E 2 2 0 0 958

Bild 4 Bild 5

Bild 6 · unten

Bild 7 · rechts

BASIS

The annual amount of nosocomial infections

only in Germany is in a range of about 500,000

patients who suffer from infections coming

directly from clinical germs. The mortality

ratio is about 10 %, being in accordance with

nearly 50,000 events of death. Reasons for

these events are an increasing amount of

antibiotic resistant germs like MRSA, but on

the other hand also a surface disinfection

which is carried out in an insufficient or even

a wrong way.

Disinfectants which are in use are able to eli-minate 99.999 % of all germs within a definedtime range, but without any sustainability. Afterevaporation of the solvent (water, alcohols) thesurface having been disinfected does not showany antimicrobial effectiveness and is able to berecontaminated very fastly, leading to a hygienegap (figure 1), which is evident between twodisinfection cycles (min. once the day).

The transfer of pathogenic germs can take placeat different clinical environments (figure 2).

SCIENTIFIC-TECHNICAL APPROACH

On the one hand disinfectants are able to eli-minate the germs without sustainability. On theother hand there are nanotechnologicallybased coating materials, not being able todisinfect a surface, but able to establish a longterm effective antimicrobial behaviour. Thesecoatings, partially based on „nano-silver“, arealready in use in products manufactured inSaarland.

The technical aim of the development was togenerate a material which is able to act in the

liquid state as a disinfectant, but simultaneous-ly to act in the solid state as a thin coating witha sustained antimicrobial behaviour.

This combination leads to the application of thesol-gel-process, in which a solid state will bebuilt up from a liquid state (figure 3 a/b).

RESULTS

By the use of this technology disinfectantscould be developed, which have already the cer-tification to be used as an disinfectant agent formedical devices and which show the sustainedeffectiveness against microbial contaminationby the incorporation of biocides. These biocideswill be incorporated in to the (nano)porosity ofthe „sol-gel-sponge“. They will be extracted inthe presence of water. This effect could beshown for 10 days using a microbiological testnamed ASTM E 2180. The incorporation of thecrystalline biocides is shown in figure 4 by theuse of polarisation microscopy. The sponge-likecarrier without the biocides is shown in figure

5 by the use of SEM.

Additionally the „long term disinfectant“ couldbe chemically modified in such a way, that thetreated surface shows a cleaning effort, whichis reduced by 50 % in comparison to the non-modified surface (figure 6).

EVALUATION

The material development resulted in a mate-rial, which is able to close the hygiene gap men-tioned in figure 1 (figure 7). The use of thesematerials will lead automatically to an increaseof the patient safety.

KONTAKT

Hermann SchirraCEO sarastro GmbH

59A U S G A B E 2 2 0 0 9

Disinfection with a sustained hygienic effect

Zum Schacht 7D–66287 Quierschied-GöttelbornTelefon +49 (0)6825 - 800 890Telefax +49 (0)6825 - 800 891E-Mail [email protected]

Internet www.sarastro-nanotec.com

Nanotechnologie ist die Herstellung und Nut-zung von Strukturen mit mindestens einerDimension kleiner als 100 nm. Beim Übergangin diesen Größenbereich verändern die Mate-rialien drastisch ihre makroskopischen Eigen-schaften und können so in neuartigen Anwen-dungen z. B. in der Elektronik, der Photonik, derKatalyse oder der Materialentwicklung, vorteil-haft ausgenutzt werden. Bisher eingesetzteModelle zur Beschreibung von Bauelementenverlieren durch diese Größeneffekte ihre Gül-tigkeit und müssen erweitert oder gar neu ent-

wickelt werden. Diese Aufgabe erfordert Exper-ten mit einer interdisziplinären Ausbildung inPhysik, Chemie, Elektrotechnik und Maschi-nenbau und je nach Anwendung auch Biologieund Medizin.

Nanotechnologie wird eine der Schlüsseltech-nologien des 21. Jahrhunderts. Ihr umfang-reiches Anwendungspotenzial kann jedochwirtschaftlich nur dann genutzt werden, wenndie in der Grundlagenforschung entdecktenNanoeffekte in industrielle Produkte um-


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StudienprogrammNanoEngineering

An der Universität Duisburg-Essen entstand 2006 an der Fakultät für Ingenieur-

wissenschaften gemeinsam mit dem Fachbereich Physik das erste interdiszipli-

näre Bachelor/Master Studienprogramm NanoEngineering, das die Nanotech-

nologie aus der Sicht der Ingenieure betrachtet. Hier erfahren Sie etwas über

die Struktur und die Besonderheiten des Programms. Studenten erzählen, wa-

rum sie sich für diesen Studiengang entschieden haben.

Konzept und erste Erfahrungen

an der Universität Duisburg-Essen

Bild 1

Eine aus Nanopartikeln aufgebaute Kugel (links), Nanowhis-

ker auf einem Substrat (Mitte) und ein Hochleistungstransis-

tor aus einem Nanodraht (rechts)

AUTOREN

Dr. Wolfgang Mertin

Prof. Dr. Gerd Bacher

Prof. Dr. Markus Winterer

gesetzt werden. Hierzu sind Fachleute gefragt,die interdisziplinär denken und handeln kön-nen. Neben einem fundierten Basiswissen inNaturwissenschaften sind vor allem ingenieur-wissenschaftliche Vorgehensweisen gefragt,um die Entwicklung der Nanotechnologie vo-ranzutreiben.

Aus diesem Grund hat die Fakultät für In-genieurwissenschaften gemeinsam mit demFachbereich Physik das interdisziplinäre Stu-dienprogramm NanoEngineering entwickelt,bestehend aus einem Bachelor- und einemMaster-Studiengang. Vom ersten Semester ler-nen die Studierenden dabei das Thema Nano-technologie kennen.

Die Universität Duisburg-Essen hat die Nano-technologie zu einem ihrer Schwerpunkte er-klärt und durch eine entsprechende Beru-fungspolitik die entsprechenden Kapazitäten inForschung und Lehre in den letzten Jahrenkonsequent verstärkt. Themen der Nanowis-senschaften und der Nanotechnologie werdenan der Universität Duisburg-Essen schon seitvielen Jahren in mehreren Sonderforschungs-bereichen und Graduiertenkollegs, wie zumBeispiel dem Sonderforschungsbereich 445,Nanopartikel aus der Gasphase, oder demGraduiertenkolleg 1240, Nanotronics – Opto-

elektronik und Photovoltaik aus Nano-

partikeln, bearbeitet. Aus diesen Forschungs-aktivitäten entwickelte sich eine Reihe vonVorlesungen und Veranstaltungen rund um dasThema Nano. Derzeit werden alle nanotechno-logischen Aktivitäten vom Center for Nano-integration Duisburg Essen CeNIDE ko-ordiniert.

Die Studierenden dieses Studienprogrammsrekrutieren sich aus den unterschiedlichstenInteressensgebieten. „Ich hatte Bio und Matheals LK und wollte eigentlich Biotechnologie stu-dieren“, sagt Sven Eliasson, Student aus dem3. Semester des Bachelor-Studiengangs Nano-

Engineering. „Dann hat mich aber der grund-lagenorientierte und doch sehr praxisnaheAnsatz des Studienprogramms NanoEnginee-

ring überzeugt.“ „Mich fasziniert die Dimen-sion Nano und vor allen Dingen, welche neuenEigenschaften und Möglichkeiten dahinter ste-cken“, sagt Thomas Bastuck, Student der ers-ten Generation und somit schon ein alter Haseim Studienprogramm. Beide gemeinsam ver-sprechen sich sehr gute Chancen auf dem

Arbeitsmarkt. „Ingenieure werden immer ge-sucht und von denen, die sich auf die Nanotech-nologie spezialisiert haben, gibt es noch nichtviele“, sagt Thomas Bastuck.

Der Schwerpunkt des interdisziplinären Stu-dienprogramms NanoEngineering liegt aufingenieurwissenschaftlichen Aspekten. Beson-ders durch die Bündelung der auf den beidenCampi Duisburg und Essen vorhandenen, viel-fältigen und international anerkannten Kern-kompetenzen in den Bereichen Elektrotechnik,Maschinenbau, Physik und Chemie hebt sichdieses Studienprogramm NanoEngineering

von denen in Nordrhein-Westfalen, der Bun-desrepublik Deutschland und im europäischenAusland bereits existierenden Vertiefungs-richtungen und Studiengängen deutlich ab.

Ziel des neuen Studienprogramms Nano-

Engineering ist die berufsqualifizierendeAusbildung von Absolventen und Absolventin-nen in dem hoch interdisziplinären Feld derNanotechnologie. Dabei werden die Studieren-den vom ersten Semester an auf eine Tätigkeitim Umfeld dieser Schlüsseltechnologie vor-bereitet. Dies wird durch eine Kombination vonGrundlagenfächern der Natur- und Ingenieur-

wissenschaften und spezifischen Veranstaltun-gen zum Thema Nanotechnologie im Bache-lorStudiengang ermöglicht. Der Bachelor-Studiengang führt daher einerseits zu einemersten berufsqualifizierenden Abschluss, ande-rerseits befähigt er zur Fortsetzung des Stu-diums im konsekutiven, mehr forschungsorien-tierten Master-Studiengang.

Schwerpunkte des Studienprogramms Nano-Engineering sind dabei die Nanoprozesstech-nologie und die Nano(opto)elektronik. Diese bil-den auch die beiden Vertiefungsrichtungen imMaster-Studiengang. Im Master-Studiengangwerden die im Bachelor-Studiengang erworbe-nen Qualifikationen vertieft und darüber hinaus

Bild 2

Mathe, Physik und Naturwissen-

schaften haben Thomas Bastuck

schon immer gereizt.

61A U S G A B E 2 2 0 0 9

Fähigkeiten vermittelt, die dazu dienen, wis-senschaftliche Methoden auf dem Gebiet derNanotechnologie nicht nur auf komplexe Prob-leme anzuwenden, sondern diese auch sys-tematisch zu analysieren und weiterzuentwi-ckeln. Je nach Wahl der Vertiefungsrichtungerfolgt dabei eine ausgeprägte exemplarischeSchwerpunktsetzung auf einem der Anwen-dungsgebiete.

Studierende mit dem Abschluss Bachelor of

Science haben sich Wissen in den natur- undingenieurwissenschaftlichen Grundlagen-fächern angeeignet sowie die Grundlagen zumThema Nanotechnologie erworben und in Prak-tika, einem Projekt und einer Bachelorarbeitkompetent angewandt und eingesetzt. Die engeVerzahnung der verschiedenen beteiligtenDisziplinen mit den spezifischen Veranstaltun-gen zur Nanotechnologie befähigt die Absol-venten, einen interdisziplinären Überblick zugewinnen.

Studierende mit dem Abschluss Master of

Science besitzen ein vertieftes und verbreiter-tes Wissen in den natur- und ingenieurwissen-schaftlichen Grundlagenfächern und derNanotechnologie. Sie haben sich auf die Vertie-fungsrichtung Nanoprozesstechnologie bzw.Nano(opto)elektronik spezialisiert. Die soerworbenen Kompetenzen werden in einemProjekt und vor allem im Rahmen der Master-arbeit auf aktuelle, wissenschaftliche Frage-stellungen der Nanotechnologie angewandt.

Während des Studiums wird sehr viel Wert aufeine praxisnahe, interdisziplinäre und team-orientierte Ausbildung gelegt. Diese wird inten-siv einstudiert in den Modulen NanoEnginee-

r i n g P r a k t i k u m , N a n o E n g i n e e r i n g

Projekt, Industriepraktikum sowie in derBachelor- bzw. Master-Abschlussarbeit.Ergänzt werden die Pflichtveranstaltungendurch die Module Wa h l p f l i c h t fa c h und

Nichttechnischer Bereich. Die Absolventenwerden hierdurch in die Lage versetzt auch miteiner breiteren Öffentlichkeit zu kommunizie-ren. Sie sind sich der gesellschaftlichen Ver-antwortung und den berufsethischen Grund-sätzen und Normen bewusst.

Eine Besonderheit bilden die NanoEngineeringProjekte sowohl im Bachelor- als auch imMaster-Studiengang. Im Gegensatz zu den her-kömmlichen Veranstaltungsformen unter-streicht das Projekt den fachgebietsübergrei-fenden Charakter und die Interdisziplinaritätdes Studienprogramms. Darüber hinaus for-dert und fördert es in erheblichem Maße dieTeamfähigkeit der Projektgruppenmitglieder. Ineinem Projekt realisiert eine Arbeitsgruppe,bestehend aus typischerweise zwei bis vier Stu-dierenden, unter der Leitung eines Wissen-schaftlers in einem Semester ein begrenztes,wissenschaftliches Vorhaben. Dies kann z. B.die Herstellung, Analyse und Simulation einerTunneldiode, eines Lichtemitters oder einesSensors auf der Basis von Nanopartikeln sein.Anders als in einem herkömmlichen Praktikumarbeiten hier die Studierenden als Team


A U S G A B E 2 2 0 0 962

Bild 3

Struktur des Bachelor- (links)

und Master-Programms (rechts)

zusammen an der Lösung eines Problems.Jeder führt die Tätigkeit aus, die seinen per-sönlichen Neigungen entspricht, z. B. ist einMitglied des Teams zuständig für theoretischeSimulationen, ein anderes für die Technologieund wiederum ein anderes Mitglied zuständigfür die Analyse und Charakterisierung desrealisierten Bauelementes. Zur ingenieur-wissenschaftlichen Vorgehensweise gehört diesystematische Analyse des Problems, die Er-stellung eines Pflichtenheftes, die Erarbeitungeines morphologischen Schemas, die Auftei-lung der Lösung in Einzellösungen, die Erarbei-tung eines Zeitplanes mit den dazugehörigenMeilensteinen, die Verteilung der Aufgaben so-wie die anschließende Erstellung des Ab-schlussberichtes und die Präsentation derErgebnisse. Letzteres findet im Rahmen einesgemeinsamen, öffentlichen Workshops allerProjektpraktikumsgruppen in der letztenSemesterwoche statt.

Die Internationalisierung im Studienprogrammwird sehr groß geschrieben. Den Studierendenwird dringend geraten, einen Auslandsaufent-halt während des Master-Studiums einzu-planen. Dazu bietet das StudienprogrammKooperationen mit ausländischen Hochschulenan. So zum Beispiel mit der Universität Lund inSchweden, eine der führenden Hochschulen inder Welt auf dem Gebiet der Nanotechnologie.Hierzu gibt es jetzt schon Vormerkungen: „Ichwill auf jeden Fall dort hin!“, schwärmt SamerSuleiman, Student im 5. Semester und bei denKooperationsgesprächen mit der UniversitätLund als studentischer Vertreter mit am Tisch.Auch Sven Eliasson möchte unbedingt nachLund. Zum einen, weil es eine führende Hoch-schule Europas ist, und zum anderen, seinName lässt es schon vermuten, weil sein Vateraus Schweden stammt.

Im Studium wird den Studierenden sehr vielabverlangt. Durchschnittlich 24 SWS kommenauf die angehenden Ingenieurinnen und In-genieure zu. Und das nur an Pflichtvorlesun-gen. Hinzu kommen noch etliche Tutorien, vorallem in den ersten Semestern. Hier gilt es, dieStudierenden mit den unterschiedlichsten Wis-sensvoraussetzungen auf ein gemeinsamesNiveau zu hieven. „Es ist härter, als ich gedachthabe! Aber es macht auch einen Riesenspaß!“,sagt Sven Eliasson. „In den ersten Semesternheißt es, sich durchzuboxen!“, stimmt ihmThomas Bastuck zu, „aber je mehr man für das

Studium tut,desto erfolg-reicher wirdman – unddas sporntw i e d e r u man!“

T r o t z d e m ,oder geraded e s w e g e n :„ D e r S t u -d i e n g a n gwird sehr guta n g e n o m -m e n . W i rsind jetzt inder drittenGenerat ionund haben6 6 E r s t -semester imB a c h e l o r -Studiengang.I m le t z t e nJahr warenes 82, davor47 Anfänger.Angestrebthatten wir etwa 50 Neueinschreibungen proJahr“, sagt Professor Gerd Bacher, Prüfungs-ausschussvorsitzender und federführend beider Erstellung des Studiengangs, „insgesamthaben wir 137 Studierende, davon sind 20 %Frauen.“ Und das Schöne ist, sie kommen nichtnur aus dem näheren Umfeld der Hochschulesondern aus ganz Deutschland. „Es sind sogarAnfragen aus dem Ausland bei uns eingetrof-fen“, freut sich Professor Bacher.

Bild 4 · oben

„Die Studieninhalte treffen mei-

ne Erwartungen sehr gut“, meint

Sven Eliasson.

Bild 5 · unten

Ausschnitt aus einer Vorlesung

zur Physik des Ladungs-

transports in Nanomaterialien

63A U S G A B E 2 2 0 0 9

KONTAKT

Prof. Dr. rer. nat. Gerd BacherProf. Dr. rer. nat. Markus WintererDr.-Ing. Wolfgang Mertin

Universität Duisburg-EssenFakultät für IngenieurwissenschaftenBismarckstraße 81D–47057 DuisburgTelefon 0203/379-3407


Internet www.uni-duisburg-essen.de/

nanoengineering

Abbildungen · rechts

Reihung von oben nach unten

Abbildung 1

Metallbedampfung von Ober-

flächen im Hochvakuum

Abbildung 2

Studieren der Stereochemie an

Modellen von Fullerenen

Abbildung 3

Streuung von Laserlicht an

unterschiedlich konzentrierten

Kolloidlösungen

Abbildung 4

Schüler beim Testen der Kompo-

nenten des AFM


A U S G A B E 2 2 0 0 964

Präparation und Analytik für die Nanotechnologie

an der Akademie Göttingen Private Berufsfachschulen AKAge

Nanotechnologie in derCTA-Ausbildung

Die zunehmende Bedeutung der Nanotechnologie für die Entwicklung neuer

Werkstoffe, Produkte und Arbeitstechniken erfordert in steigendem Maße gut

ausgebildete Fachkräfte – auch ohne Studium. Die Materialien der Nanotechno-

logie sind Nanoteilchen und Nanoschichten. Ob es um Partikel oder Schichten

geht, chemische und physikalische Grundlagen und Erfahrungen in Laborarbeit

und Messtechnik spielen bei deren Herstellung und Untersuchung eine immer

größere Rolle. Die heutige Ausbildung zu chemisch-technischen Assistenten

bietet dazu bereits beste Voraussetzungen, bedarf allerdings der Ergänzung um

nanospezifische Bereiche. In unserer CTA-Ausbildung lernen die Auszubilden-

den Nanotechnologie kennen und mit den entsprechenden Herstellungs- und

Messmethoden umzugehen.

WIE HÄNGEN MESSMETHODEN MIT

UNSERER ALLTAGSWELT, MIT DINGEN,

DIE WIR HERSTELLEN ODER BENUTZEN,

ZUSAMMEN?

Egal ob es um die Veränderung der Eigen-schaften von Materialien, die Präzision vonHerstellungsprozessen oder die Miniaturisie-rung von Produkten geht, die Grenzen des Mög-lichen liegen in den Grenzen der Genauigkeitder Untersuchungsmethoden.So gilt umgekehrt: Je detaillierter wir etwasuntersuchen und messen können, umso mehrMöglichkeiten für neue Entwicklungen werdenwir finden.

Ein gutes Beispiel hierfür ist das Lichtmikro-skop, das die Sichtweise unserer Welt vollstän-dig veränderte. Viele der enormen Fortschrittein der Medizin, Biologie und Mikroelektronik,aber auch in der Werkstoffkunde wurden da-durch möglich, dass vorher unsichtbare Dingesichtbar wurden.

Eine ähnliche Entwicklung findet heute durchdie rasche Verbreitung von Mikroskopier-methoden statt, die auch weit hinter den physi-kalischen Grenzen des Lichtmikroskops nochObjekte abbilden können. Zu diesen Methodengehört die Rasterkraftmikroskopie.

In dem Maß, in dem Nanostrukturen sichtbargemacht werden können, eröffnen sich auchMöglichkeiten, diese gezielt zu formen. DieHerstellung und Strukturierung von Schichtenmit Abmessungen im Nanometerbereich hatzum Beispiel erst die Mikroelektronik für Han-dys und Computer möglich gemacht.

Durch die Nanotechnologie ergeben sich neueEntwicklungen in zwei Zielrichtungen:1. bekannte Materialien können neue Eigen-

schaften gewinnen und dadurch neue An-wendungsmöglichkeiten eröffnen,

2. der Einsatz von Nanomaterialien soll denRohstoff- und Energieverbrauch mindern.

AUTOR

Dr. Wolfgang Bodenstein

Dr. Edith Bertling-Kampf

DIE AKADEMIE GÖTTINGEN

ist eine Zweigniederlassung der AkademieMünden. Die Akademien sind staatlich an-erkannte, gemeinnützige, private Berufsfach-schulen mit langjähriger Erfahrung in derAusbildung Technischer Assistenten in den Be-reichen Chemie, Biologie, Pharmazie und Infor-matik.Uns ist es sehr wichtig, die Ausbildungsinhaltean die Erfordernisse des Laboralltags der Uni-versitäten, Institute und Betriebe anzupassen.

DIE CTA-AUSBILDUNG

Den Beruf staatlich geprüfter Chemisch-

technischer Assistent, staatlich geprüfte

Chemisch-technische Assistentin kannman durch den Besuch einer Berufsfachschuleerlernen. Die Ausbildung dauert in Nieder-sachsen zwei Jahre.Das Berufsbild eines CTA hat sich kontinuier-lich mit den Entwicklungen von Präparations-Analysen- und Messmethoden verändert. Sotritt die traditionelle Chemieausbildung – wienasschemische Analyseverfahren im Rahmender „Trennungsgänge“ und klassische Ver-suche der Physikalischen Chemie – mehr undmehr zugunsten instrumentalisierter und auto-matisierter Analysenmethoden in den Hinter-grund.

Niedergeschlagen hat sich diese Entwicklungletztendlich auch in den seit 2004 gültigenRahmenrichtlinien des Landes Niedersachsen.Statt der klassischen Fächer wie AnorganischeChemie, Organische Chemie, PhysikalischeChemie und Analytische Chemie gibt es nunhandlungsorientierte Lernfelder wie „Lösun-gen herstellen“, „Stoffe dünnschicht- und gas-chromatografisch untersuchen“, „OrganischePräparate herstellen und untersuchen“ und„Stoffe spektroskopisch untersuchen“.

Durch das Lernfeldkonzept werden die Fach-,Lern- und Sozialkompetenzen der Auszubil-denden auch in Richtung einer höheren Eigen-verantwortlichkeit für das zukünftige Berufs-leben gestärkt.

WAS IST DAS BESONDERE AN DER

CTA-AUSBILDUNG

AN DER AKADEMIE GÖTTINGEN?

Das von uns entwickelte Konzept zur Einbezie-hung der Nanotechnologie in die CTA-Aus-

bildung hat großes Inte-resse und Zustimmungim niedersächsischenKultusministerium ge-funden. Das neue Lern-feld Nanopartikel und

-schichten herstel-

len und untersuchen

ist seit dem Schuljahr2008/2009 der AkademieGöttingen als Modell-projekt Teil der Ausbil-dung.Von Anfang an fließt dasThema auch in denUnterricht der andereLernfelder ein, um einVerständnis für die Ab-messungen im Nano-meterbereich zu ent-w i c k e l n . B e i d e rBehandlung von chemi-schen und physikali-schen Größen spielen dieAbmessungen eine zu-nehmende Rolle, z. B.wird deutlich, wie sichdie durch die Oberflächebestimmten Effekte mitder Verkleinerung derTeilchen bei gleicherMasse ändern. Anhandvon Solen und Gelenwerden erste Erfahrun-gen mit Nanoteilchen inLösungen gesammelt.Zum Erkunden desTyndall-Effekts werdense lbst hergeste l l teGold-, Kupfer- oder Sil-berkolloide eingesetzt.Das Augenmerk wirdauch auf die Unterschei-dung des Makrokosmos,mit kontinuierlich be-schreibbaren Vorgängen,im Gegensatz zum Na-nokosmos, mit gequan-telten Vorgängen an derGrenze zur „materiellenUnschärfe“, fallen.

Die Fertigkeiten und Er-fahrungen, die beim pH-Messen, beim Fällen

65A U S G A B E 2 2 0 0 9

und Abtrennen von Fest-stoffen, bei Extraktio-nen, bei Ätz- und Löse-vorgängen mit Säurenund Basen, beim Wie-gen, Messen, Titrieren,Spektroskopieren, beider Probenvorbereitungund -behandlung u. v. a.erworben werden, sindebenso wichtige Grund-lagen für den filigranenB e re i c h d e r N a n o -chemie und -analytik.D a s n e u e L e r n fe l dN a n o p a r t i k e l u n d

-schichten herstel-

len und untersuchen

liegt im zweiten Ausbil-dungsjahr und befasstsich dann konkret mit:

PARTIKEL

Die Auszubildenden ler-nen die wichtigsten Ver-fahren kennen und stel-len Partikel von unter-schiedlichen Stoffen herund untersuchen dieseim Vergleich zu nichtnanoskaligen Teilchen.Spätestens hier wird er-fahren, wie sehr sichEigenschaften ändern,wenn die Teilchen ex-trem klein werden. Fürviele Anwendungen istes sehr wichtig, die Grö-ße und die Größenver-teilung der Partikel zukennen. Diese werdenz u m B e i s p i e l m i t gestreutem Laserlichtgemessen. Die Unter-suchungen und Auswer-tungen stehen im Zu-sammenhang mit einerReihe von möglichenAnwendungen. Dazu

zählen nanokristalline Farbstoffsolarzellen undMaterialien, deren Stoffeigenschaften durch dasEinbinden von Nanopartikeln neue, verblüffendeEigenschaften erhalten, zum Beispiel absolutwasserabweisende Textilien, feuerfestes Pa-pier, elektrisch leitende Kunststoff-Polymere.

SCHICHTEN

Hier werden ultradünne Schichten hergestelltund untersucht. Besondere Bedeutung habensolche Schichten zum Beispiel für die Herstel-lung von Speichermedien und Oberflächen mitbesonderen Eigenschaften. Zu den Herstel-lungsverfahren gehört das Aufdampfen vonnanometerdicken Schichten aus Gold oder ausanderen Metallen auf unterschiedliche Träger-materialien im Vakuum. Mit Fotolack undÄttechnik werden den Schichten gezielt struk-turierte Formen gegeben. Die Rasterkraft-mikroskopie, die zu den wichtigsten Mess-methoden in der Analytik von Nanostrukturenzählt, kommt nun für die Untersuchung unter-schiedlichster Oberflächenstrukturen zum Ein-satz. Mit den neuen, von der PhysikalischTechnischen Bundesanstalt PTB in Braun-schweig für die Ausbildung entwickeltenGeräten lernen die Auszubildenden das Arbei-ten mit dieser wichtigen auch in der Biologie,Medizin und Technik zunehmend eingesetztenMikroskopiermethode.

AUSBLICK

Die Akademie Göttingen hat innovative Maß-stäbe in der Ausbildung im nichtakademischenBereich geschaffen. Die angehenden CTA ler-nen ergänzend zu den klassischen Themen wieder Chemischen und Instrumentellen Analytikdie Nanotechnologie mit ihren Herstellungs-methoden kennen, lernen wie die Messgerätefunktionieren, wie sie bedient werden und wasdie Messergebnisse zeigen. Damit haben siegute Chancen, eine interessante Tätigkeit indiesen zukunftsträchtigen Forschungs- undWirtschaftszweigen zu finden. Auszubildendemit Realschulabschluss erhalten zudem dieMöglichkeit, parallel zur Berufsausbildung dieFachhochschulreife zu erwerben.

KONTAKT

Dr. Wolfgang BodensteinAkademie Göttingen Private BerufsfachschulenZweigniederlassung der Akademie Münden Private BerufsfachschulenAm Leinekanal 4D–37073 GöttingenTelefon 0551 7896862Telefax 0551 7896863E-Mail [email protected]

Internet www.akage.de


A U S G A B E 2 2 0 0 966

Abbildung 5 · oben · Spektral-

analyse verschiedener gelöster

Farbstoffe

Abbildung 6 · Bestimmung des

Potenzials von Farbstoffsolarzel-

en (Grätzelzelle)

67A U S G A B E 2 2 0 0 9

Mit der FRITSCH premium line Planetenmühleist nun der entscheidende Schritt in die Nano-Klasse gelungen. Die revolutionäre Neuerungder premium line ist das Versenken der Mahl-becher in der Sonnenscheibe der Mühle.

WARUM HAT FRITSCH DIE

MAHLBECHER VERSENKT?

Das Mahlen von Materialien in den Nanometer-bereich erfordert einen sehr hohen Energieein-trag und damit deutlich höhere Drehzahlen alsherkömmliche Planetenmühlen erlauben. Kon-ventionelle Planeten-Kugelmühlen zeichnensich dadurch aus, dass die Mahlbecher auf derSonnenscheibe der Mühle verspannt werden.Dies limitiert die maximal mögliche Drehzahl,denn ab einer bestimmten Grenz-Drehzahlwerden die auf die Becher wirkenden Zentri-

fugalkräfte so hoch, dass die Verspannung dieBecher nicht mehr halten kann. Schäden an derMühle und den Bechern sind die Folge.

Das Versenken der Mahlbecher in der Sonnen-scheibe der Mühle löst diese Probleme! Nunliegt der Schwerpunkt der Becher in der Ebeneder Sonnenscheibe. Die auftretenden Zentrifu-galkräfte erzeugen deutlich niedrigere Kippmo-mente, was wiederum eine deutlich höhere Dreh-zahl der Mühle erlaubt. So ist mit der neuenFRITSCH premium line eine Drehzahl von bis zu1 100 U/min, und damit ein bis zu 150 % höhererEnergieeintrag möglich. Die Mahldauer in denNanometerbereich wird dadurch erheblich redu-ziert. Für bestimmte Materialien erlaubt erstdieser erhöhte Energieeintrag überhaupt Nano-Partikel mit Planetenkugelmühlen zu erzeugen.

Q u e l l e : F R I T S C H G m b H

Mit einem revolutionären, neuen Mahlkonzept trägt FRITSCH dem Wunsch der

Kunden Rechnung kleine Probenmengen bis in den Nano-Bereich mahlen zu kön-

nen (1nm =10-9

m).

Erzeugen von Nano-Pulvern

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A U S G A B E 2 2 0 0 970

Quelle: Hielscher Ultrasonics GmbH

Beim Einmischen von Nanomaterialien, wie z. B. Metalloxiden oder Carbon-

Nanotubes in Flüssigkeiten stellt die Agglomeration der einzelnen Partikel die

Misch- und Dispergiertechnik vor große Herausforderungen. Herkömmliche

Dispergierverfahren, wie z. B. Rotor-Stator-Mischer oder Mühlen, stoßen mit ab-

nehmender Partikelgröße an ihre Grenzen.

Kontakt:

Hielscher Ultrasonics GmbH

Warthestraße 21

D-14513 Teltow

Tel.: +49 (0)3328 437-425

Fax: +49 (0)3328 437-444


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Kavitation zerkleinertNanomaterialien

Ultraschallkavitation ist eine alternative Techno-logie, um hohe Scherkäfte und Relativgeschwin-digkeiten in Flüssigkeiten einzutragen. Hochin-tensiver Ultraschall erzeugt durch schnellalternierende Hoch- und Niederdruckzyklen Kavi-tationsblasen. Wenn diese Kavitationsblasenwährend eines Hochdruckzyklus implodieren,treten Flüssigkeitsströme von bis zu 1000 km/hauf. Treffen diese Flüssigkeitsströme auf Agglo-merate, so treiben sie die Partikel auseinander.Da die Flüssigkeitsströme auch feine Partikelmitreißen, prallen diese Partikel mit hohenGeschwindigkeiten aufeinander und zerkleinerneinander. Daher eignet sich Ultraschallkavitationnicht nur zum Dispergieren sondern auch zumNassmahlen.

Hielscher Ultrasonics GmbH (www.hielscher.com)

stellt Ultraschallgeräte für die Verwendung imLabor, im Technikum und in der Produktion her.Diese eignen sich sowohl für wässrige Sus-pensionen als auch für hochgefüllte Polymereoder hochviskose Pasten. Durch die Verwen-dung spezieller Durchflussreaktoren könnengroße Mengen auch inline bearbeitet werden.Für lösungsmittelhaltige Materialien stehennach ATEX zertifizierte Ultraschallmischer zurVerfügung.

71A U S G A B E 2 2 0 0 9

Abbildung 1

Start der neuen nanoTruck-

Initiative des BMBF auf der

didacta 2008 · Quelle: VDI TZ

INITIATIVE ZUM ANFASSEN

Die nanoTruck-Initiative des Bundesministe-riums für Bildung und Forschung (BMBF) hatzum Anliegen, die Nanotechnologie aus den La-boren der Wissenschaft zu holen und sie vor Ortdirekt zu den Menschen zu bringen. Unter demMotto „Hightech aus dem Nanokosmos“ geht

es darum, die Faszination dieser Technologieerlebbar zu machen. Im „Jahr der Technik“2004 gestartet, rollt das Ausstellungsfahrzeugab 2008 in neuer Aufmachung mit deutlichmehr Ausstellungs- und Kommunikations-fläche durch das Land und erreicht jährlichetwa 100.000 Besucher vor Ort. Die nanoTruck-


A U S G A B E 2 2 0 0 972

NanoTruck-Initiativedes BMBF

AUTOREN

Dr. Waldemar Baron

Dr. Christian Busch

Dr. Michael Gleiche

Konzept, Ausstellung, Tour

Der neu konzipierte nanoTruck macht unter dem Motto „Hightech aus dem

Nanokosmos“ auf seiner Tour durch Deutschland die rasanten Entwicklungen

dieser Zukunftstechnologie unmittelbar erlebbar. Insbesondere junge Men-

schen werden über Chancen, interessante Karrierewege und spannende Ar-

beitsfelder der Nanotechnologie ebenso informiert wie über neue Verfahren,

Produkte, Risiken und Anwendungsperspektiven.

Initiative ist Teil der „Nanoinitiative – Aktions-plan 2010“ des BMBF im Rahmen der High-tech-Strategie, die Deutschland einen Spitzen-platz in den Zukunftsmärkten sichern soll.

Nanotechnologie zielt auf faszinierende neueErkenntnisse und Innovationen, die zu neuenoder besseren Produkten und Verfahren bei-spielsweise im Energie-, Umwelt- und Gesund-heitsbereich führen. Dazu gehören leistungs-fähigere Batterien und Lichtquellen, die dieUmwelt schonen ebenso wie Nanomedikamen-te, die wirksamer Tumore bekämpfen und viel-seitige Nanomaterialien für effektive Mobilität,innovative Werkstoffe und mehr Sicherheit.

ZIELGRUPPEN UND ANGEBOTE

Nano nutzt als Querschnittstechnologie Kennt-nisse aus zahlreichen naturwissenschaftlichenund technischen Disziplinen, gewinnt als Zu-

kunftstechnologie an Gewicht, wirkt in nahezualle Wirtschaftsbranchen hinein und zielt aufInnovationen für Technik und Gesellschaft. Inder Nanotechnologie geht es primär um die Er-forschung, Herstellung und Anwendung vonStrukturen unter 100 Nanometer. In diesenwinzigen Dimensionen von oftmals nur wenigenAtomschichten können Materialien und Teil-chen neue Eigenschaften entwickeln, die nur in der Nanoskaligkeit auftreten. Diese neuenFunktionalitäten machen Nano zu einer deraussichtsreichsten Technologien des 21. Jahr-hunderts, wie im nanoTruck vielfältig zu er-fahren ist. Auf zwei Ebenen sind im Roadshow-Fahrzeug, koordiniert durch das VDI Techno-logiezentrum, wissenschaftliche Grundlagen,

Einsatzfelder, Produktinnovationen und Verfah-rensneuheiten der Nanotechnologie zu be-staunen. Erfahrene Wissenschaftler begleitendurch die Ausstellung und stehen für Fragenzur Verfügung.

Auf dem Programm der nanoTruck-Initiativedes BMBF stehen darüber hinaus Multimedia-präsentationen, Vorträge, Workshops undPraktika, die darauf zielen, das Interesse vonJugendlichen, Verbrauchern, klein- und mittel-ständischen Unternehmen und weiteren Ziel-gruppen für Nanotechnologie zu erhöhen. Zu-sätzlich werden Hintergrundinformationen zuInnovationspotenzialen der Nanotechnologiefür Mensch, Umwelt Wirtschaft und Gesell-schaft sowie zu Ausbildung, Studium und Kar-riere in der Ausstellung und auch online unterwww.nanoTruck.de angeboten. Einen hohenStellenwert hat die Ansprache jugendlicherZielgruppen, wie die Verteilung der Einsatzorte

der nanoTruck-Initiative nach Adressaten zeigt(vgl. Abb. 4). An erster Stelle stehen Stationender Tour an Schulen mit 34 % aller Einsätze,gefolgt von Stationen mit dem Charakter einesselbständigen Events und Einsätzen an Hoch-schulen.

NACHWUCHS UND KARRIERECHANCEN

Nanotechnologie bietet Aussichten auf guteBeschäftigungschancen für junge Menschen,die in der Berufsorientierung entsprechendeWeichen frühzeitig stellen. Neben Schülern undSchülerinnen spricht die nanoTruck-Initiativeauch Multiplikatoren für die Berufsausbildunggezielt an. Am geographischen Institut der

Abbildung 2 · links ·

Hightech aus dem Nanokosmos

im nanoTruck · Quelle: VDI TZ

Abbildung 3 · rechts ·

Einblicke in die Welt der

Nanotechnologie für den jünge-

ren Nachwuchs im nanoTruck

auf dem Schulhof des Ernst-

Moritz-Arndt-Gymnasiums in

Bonn · Quelle: VDI TZ

73A U S G A B E 2 2 0 0 9

Abbildung 4

Stationen des nanoTrucks nach

Adressaten und Einsatzarten ·

Quelle: Flad&Flad

Abbildung 5

Nano-Weiterbildung für Lehrer

und Lehrerinnen im Rahmen der

3. Fachtagung „Naturwissen-

schaften entdecken!“ in Bonn ·

Quelle: SaN

Abbildung 6

Nano-Studiengänge an deut-

schen Universitäten und Fach-

hochschulen · Quelle: VDI TZ

Universität Bonn wurden beispielsweise kürz-lich im nanoTruck Lehrer und Lehrerinnen imRahmen der 3. Fachtagung „Naturwissenschaf-ten entdecken!“ weitergebildet. Das BMBF-Projekt „Naturwissenschaften entdecken!“zielt als Teil der Initiative „Schulen ans Netz“(SaN) darauf, die Qualität des Unterrichts innaturwissenschaftlich-technischen Fächern zufördern. Eine der Workshopreihen für die ca.

200 angemeldeten Lehrerinnen und Lehrerrichtete sich auf Nano als möglichen Unter-richtsgegenstand und fand im Ausstellungs-fahrzeug statt.

Darüber hinaus bietet der nanoTruck eine Viel-zahl von Informationen zu Karrierepfaden,Ausbildungsberufen und Studiengängen derNanotechnologie. In Nano-Unternehmen sindbereits mehr als 50.000 Arbeitsplätze entstan-den, für die nächsten fünf Jahre wird mit einemZuwachs von mehr als 15.000 Beschäftigten

gerechnet. Als Facharbeiter beschäftigenNano-Unternehmen in Deutschland in ersterLinie Mechatroniker, Chemielaboranten, Elek-troniker und Chemikanten. Etwa 50% derBeschäftigten in Nano-Unternehmen habeneinen akademischen Abschluss. Hochschul-absolventen werden neben Facharbeitern undTechnikern auch in Zukunft in Nano-Unterneh-men stark gefragt sein.

Eigenständige, interdisziplinär ausgerichteteStudiengänge zur Nanotechnologie werden bis-lang nur vereinzelt von Universitäten angeboten(vergl. Abb. 6). Das sind im Wesentlichen„Nanotechnologie“ in Hannover und Erlangen-


A U S G A B E 2 2 0 0 974

Nürnberg, „NanoEngineering“ in Duisburg-Essen, „Nanostrukturwissenschaft“ in Kassel,„Mikro- und Nanostrukturen“ in Saarbrückenund „Nanostrukturtechnik“ in Würzburg. Wei-tere naturwissenschaftliche Studiengänge ha-ben Vertiefungsbereiche zur Nanotechnlogie imAngebot. Aufbaustudiengänge für angehendeNanospezialisten mit Abschluss Master ofScience bieten die Universitäten Bielefeld,

Bremen, Dresden, Hannover, Ilmenau und Ulman.

An Fachhochschulen sind Lehrangebote zurNanotechnologie nicht so stark ausgeprägt undvorrangig in den Fachbereichen für Elektro-technik/Informatik, Physik, Maschinenbau undWerkstofftechnik zu finden. Die Fachhoch-schulen in Iserlohn und Isny bieten grundstän-dige, die Fachhochschulen in München, Nürn-berg und Zwickau Aufbaustudiengänge zurNanotechnologie an.

AUSSTELLUNGSKONZEPT

UND EXPONATE

Neben Informationen zu den Nano-Studiengän-gen und Berufen, die in Nano-Unternehmengefragt sind, hat das Ausstellungskonzept dernano-Truck-Initiative des BMBF noch vielesmehr zu bieten. Ein zentrales Ziel der BMBF-Kampagne ist die nachhaltige Wissensvermitt-lung und die Befähigung zur objektiven Beur-

teilung der Chancen undpotenziellen Risiken dieserSchlüsseltechnologie mittelstopaktueller, praxisnaher undvor allem interessanter Inhal-te. Dazu gehören über sechzigExponate, davon mehr als dieHälfte interaktiv, Filmvorfüh-rungen, Multimediapräsenta-tionen, ein Experimentierfeldund eine Lasershow. Kern-stücke der Ausstellung sind sogenannte Hands-on-Science-Exponate, die Funktionen undAnwendungen der Nanotech-nologie begreifbar machen.Durch Anfassen und Bedienendieser Exponate und Experi-mente können Interessentenunmittelbar erfahren, wie mo-lekulare Strukturen und Syste-me durch neue Anwendungs-verfahren die Eigenschaftenherkömmlicher Produkte re-volutionieren können.

Elf thematische Stationen zei-gen die Bandbreite dessen,was mittels Nanotechnologiein Zukunft erreicht werdenkönnte oder bereits in der Ent-wicklung ist. Aus dem Bereichder Medizin kann beispiels-weise ein mikroelektronisches

Implantat bestaunt werden, dass bereits in derErprobung ist und in Zukunft Blinden zumin-dest einen Teil ihrer Sehkraft zurückgeben soll.Im Modell wird darüber hinaus gezeigt, wiemittels biochemisch funktionalisierter Nano-partikel, aufgebracht auf die Oberfläche vonTumorzellen, der Kampf gegen den Krebs ganzgezielt aufgenommen wird.

Weitere Themen-Stationen befassen sich z. B.anschaulich mit Fortschritten in der Umwelt-technik mittels Nanotechnologie, dem zu-

Abbildung 7

Jugendliche auf Erkundungstour

im Obergeschoss des nano-

Truck auf der didacta in Stuttgart

· Quelle: VDI TZ

75A U S G A B E 2 2 0 0 9

Abbildung 8

Besuchte Standorte des nano-

Truck auf seiner Tour durch

Deutschland, Stand: Ende 2008 ·

Quelle: Flad&Flad

kunftsweisenden Einsatz der Nanotechnologiebei regenerativer Energiegewinnung, in derOptik oder im Bauwesen. Kompetente Wissen-schaftler im nanoTruck vermitteln direkt vor Ortund zum Anfassen die Faszination der „Hightechaus dem Nanokosmos“ mit vielen Neuerungenfür Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft.

TOUR DURCH DEUTSCHLAND

Die nanoTruck-Initiative des BMBF macht Sta-tion vor Bildungs- und Forschungseinrichtun-gen, auf Marktplätzen und bei Events wie z. B.den Wissenschaftsnächten.

Abbildung 8 zeigt Stationen der Tour quer durchDeutschland und Orte, die erst kürzlich besuchtworden sind. Dazu gehören beispielsweise dieUniversität Marburg, das ForschungszentrumJülich, das Ernst-Moritz-Arndt-Gymnasium inBonn, die Europaschule Marne und das 5. Na-notechnologieforum in Frankfurt mit der MesseNano-Solutions. Allein im Jahr 2008 hat die

nanoTruck-Initiative des BMBF an etwa 220Veranstaltungstagen über 100 Standorte be-sucht und mehr als 110.000 Besucher erreicht,die sich mit den faszinierenden Chancen undHerausforderungen der ZukunftstechnologieNano unter dem Motto „Sensibilisieren – Infor-mieren – Qualifizieren“ vertraut machen konn-ten. Presse- und Sendeanstalten haben 2008mehr als 600 Mal zur Initiative berichtet. Auch2009 leistet der nanoTruck auf seiner Toureinen aktiven Beitrag zur Stärkung desStandortes Deutschland im Wettbewerb um diebesten Talente und innovativsten Ideen derNanotechnologie. Der Terminkalender dermobilen Erlebniswelt ist für 2009 schon heutegut gefüllt. Terminvergaben sind noch begrenztmöglich, Anfragen können über die Aktions-website http://nanotruck.de/die-tour/

nanotruck-anfragen.html online direkt ge-stellt werden. Auch eine Buchung des nano-Truck als zusätzliches Highlight für Veran-staltungen ist möglich.

AUSBLICK

Die nanoTruck-Initiative des BMBF holt dieNanotechnologie mit ihren neuen Möglich-keiten und faszinierenden Zukunftsperspekti-ven aus den Laboren und bringt sie zu denMenschen. Die BMBF-Initiative spricht auchkünftig das gesamte Spektrum der Bevölke-rung an, informiert, trägt zur persönlichen Ein-schätzung von Chancen und Risiken bei undwendet sich gezielt an den Nachwuchs, für dendie Nanotechnologie interessante Berufs- undBeschäftigungsperspektiven in einer großenBandbreite von zukunftsgerichteten Tätigkeits-feldern und Branchen eröffnet.

WEITERE INFORMATIONEN

www.nanoTruck.de

www.nano-bildungslandschaften.de

www.bmbf.de/de/nanotechnologie

KONTAKT

Dr. Waldemar BaronDr. Christian BuschDr. Michael Gleiche

VDI Technologiezentrum GmbHDüsseldorfE-Mail [email protected]


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AUTOR

Dr. Fritz Schulze Wischeler

DER BACHELOR-STUDIENGANG

Die Fakultäten für Elektrotechnik und Infor-matik, für Maschinenbau, für Mathematik undPhysik sowie die Naturwissenschaftliche Fa-kultät der Leibniz Universität Hannover bietenerstmals seit dem Wintersemester 2008 ge-meinsam den interdisziplinären Studiengang

Nanotechnologie an. Der Bachelorstudien-gang führt einerseits zu einem ersten berufs-qualifizierenden Abschluss, andererseits befä-higt er zur Fortsetzung des Studiums imkonsekutiven forschungsorientierten Master-studiengang. Durch das 2003 erbaute Produk-tionstechnische Zentrum Hannover (PZH) sowie

den Neubau des Laboratoriums für Nano- undQuantenengineering (LNQE) verfügt die Univer-sität über eine hoch moderne Ausstattung. Diessind optimale Voraussetzungen, um nicht nurSpitzenforschung am Standort Hannover be-treiben zu können, sondern auch mit hochqua-litativer Lehre den zukünftigen Bedarf an Fach-kräften zu sichern.

STRUKTUR DES STUDIENGANGES

Die Regelstudienzeit des Bachelor-Studien-gangs „Nanotechnologie“ beträgt sechs Se-mester. Die Ausbildung setzt sich zum einenaus Vorlesungen und Übungen zusammen.Darin werden Grundlagen und vertiefendeKenntnisse aus verschiedenen Studienschwer-punkten gelehrt. Darüber hinaus werden Tuto-rien angeboten, die dem Erwerb von Schlüssel-kompetenzen dienen. Zum anderen erfolgt diepraktische Ausbildung durch eine Studien-arbeit, durch insgesamt 12 Wochen berufs-praktische Tätigkeiten und Fachexkursionensowie der Bachelorarbeit als Abschlussarbeit.Insgesamt sind 180 Leistungspunkte (LP) zuerreichen, welche sich wie folgt auf die einzel-nen Leistungen aufteilen:


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Nanotechnologie studieren in Hannover

Seit dem Wintersemester 2008/2009 bietet die Leibniz Universität Hannover mit

Beteiligung von Chemikern, Elektrotechnikern, Maschinenbauern und Physi-

kern den konsekutiven Bachelor-Masterstudiengang „Nanotechnologie“ an. Er

qualifiziert Studierende für die Tätigkeit in einem Bereich, der als Schlüssel-

technologie des 21. Jahrhunderts gilt.

Kurzvorstellung des neuen, interdisziplinären Bachelor-

Studienganges und anschließenden Master-Studienganges

Abbildung 1

Das Hauptgebäude der Leibniz

Universität Hannover · Quelle:

Pressestelle

Grundlagenkurse . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97 LPVorlesungen und Labore

des Vertiefungsstudiums . . . . . . . . . 47 LPStudienarbeit (300 Stunden) . . . . . . . . . 10 LPBachelorarbeit (300 Stunden) . . . . . . . . 10 LPFachpraktikum (12 Wochen) . . . . . . . . . 15 LPFachexkursionen (3 Tage) . . . . . . . . . . . . 1 LPSumme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180 LP

GRUNDLAGENSTUDIUM

Der Bachelor-Studiengang gliedert sich in einGrundlagenstudium und ein Vertiefungs-studium. In den ersten drei Semestern desGrundlagenstudiums werden technische,mathematische und naturwissenschaftlicheKenntnisse vermittelt. Das Grundlagenstudiumgliedert sich dabei in folgende Kompetenz-felder: Allgemein, Chemie, Elektrotechnik undInformatik, Maschinenbau, Mathematik, undPhysik. Die Kurse der ersten drei Semestersind festgelegt.

VERTIEFUNGSSTUDIUM

Im Vertiefungsstudium erfolgt eine fachlicheSpezialisierung der erlernten Grundlagen inzwei von den Kompetenzfeldern Chemie, Elek-trotechnik und Informatik, Maschinenbau undPhysik, d. h. die Studenten wählen sich zweiKompetenzfelder nach ihren Wünschen ausund gestalten so ihren Stundenplan. Zusätzlicherfolgt eine weitere Spezialisierung durch dieBelegung eines Wahl-Kompetenzfeldes ausdem Masterprogramm. Das Vertiefungsstu-dium beinhaltet darüber hinaus ein Praktikum,Fachexkursionen, die Studienarbeit und dieBachelorarbeit im 6. Semester.

Kompetenzfeld: Allgemein (4 LP)

Einführung in die NanotechnologieKompetenzfeld: Chemie (7 LP)

Allgemeine ChemieKompetenzfeld: Elektrotechnik und

Informatik (18 LP)

Grundlagen der Elektrotechnik I Grundlagen der Elektrotechnik IIInformationstechnisches PraktikumKompetenzfeld: Maschinenbau (16 LP)

Mikro- und NanotechnologieTechnische Mechanik I für MaschinenbauTechnische Mechanik II für Maschinenbau

Kompetenzfeld: Mathematik (30 LP)

Mathematik für Ingenieure I Mathematik für Ingenieure IIMathematik für Ingenieure IIIKompetenzfeld: Physik (22 LP)

Experimentalphysik für Chemie, Bio-chemie, Geowissenschaft, Geodäsie undGeoinformatikPhysik IIPhysik III

Pflichtfach (5 LP)

Anorganische Chemie IKompetenzfeld: Chemie (17 LP)

Instrumentelle Methoden IPhysikalische Chemie ITechnische Chemie IKompetenzfeld: Elektrotechnik und

Informatik (16 LP)

Grundlagen der MaterialwissenschaftenGrundlagen der MesstechnikHalbleiterelektronikHalbleitertechnologieKompetenzfeld: Maschinenbau (16 LP)

Entwicklungs- und Konstruktionsmethodik IMikrosystemtechnikWerkstoffkunde IKompetenzfeld: Physik (16 LP)

Einführung in die FestkörperphysikElektronik und MesstechnikWahl-Kompetenzfeld: Spezialisierung

(10 LP)

Wahl-Kompetenzfeld (aus dem Katalog derWahlkompetenzfelder des Masterstudien-gangs), mindestens ein Pflicht- und einWahlfach

STUDIENARBEIT (300 STUNDEN, 10 LP)

Im Rahmen einer Studienarbeit arbeiten dieStudierenden an einem ersten, eigenen wissen-schaftlichen Projekt im Bereich der Nano-technologie.

PRAKTIKUM (20 WOCHEN, 15 LP)

Ein berufsbezogenes Praktikum bildet einenwesentlichen Bestandteil des Studiums. DerGesamtumfang des abzuleistenden Praktikumsumfasst 20 Wochen. Das Praktikum setzt sichaus 8 Wochen Vorpraktikum (Grundpraktikum)und 12 Wochen Fachpraktikum zusammen. DasVorpraktikum dient dem Erwerb erster prakti-scher Erfahrungen in der industriellen Ferti-

Tabelle 1

Kurse im Grundlagenstudium

Tabelle 2

Kurse im Vertiefungsstudium

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Abbildung 4

Website zum Studiengang:

http://www.lnqe.uni-hannover.

de/nano/

gung. Eingegliedert in ein Arbeitsumfeld vonAuszubildenden, Facharbeitern, Meistern undTechnikern mit überwiegend ausführendemTätigkeitscharakter soll der Praktikant/diePraktikantin verschiedene grundlegende Fer-tigungsverfahren und Fertigungseinrichtungensowie betriebstechnische Abläufe kennen-

lernen. Das Fachpraktikum dient dem Erwerbvon Erfahrungen in typischen Aufgabenfeldernund Tätigkeitsbereichen von Absolventen undAbsolventinnen in der beruflichen Praxis. DieStudierenden sollen Erfahrungen in der An-wendung ihrer im Studium erworbenen Kennt-nisse und Fertigkeiten sammeln. Das Fach-praktikum ist daher durch die Eingliederungder Praktikanten und Praktikantinnen in einArbeitsumfeld von Ingenieuren oder entspre-chend qualifizierten Personen mit überwiegend

entwickelndem, planendem oder lenkendemTätigkeitscharakter gekennzeichnet. Detaillier-te Informationen zum Praktikum liefert diePraktikantenordnung.

FACHEXKURSIONEN (3 TAGE, 1,5 LP)

Es werden Fachexkursionenzu Firmen, Forschungsein-richtungen oder Fachmessenin einem Umfang von drei Ta-gen durchgeführt.

BACHELORARBEIT

(300 STUNDEN, 10 LP)

Den Abschluss des Studiumsbildet die Bachelorarbeit miteiner Gesamtdauer von dreiMonaten. Die Bachelorarbeitsoll zeigen, dass der Prüflingin der Lage ist, innerhalb einervorgegebenen Frist ein Prob-lem selbstständig nach wis-senschaftlichen Methoden zubearbeiten. Die Art der Aufga-be und die Aufgabenstellungmüssen mit der Ausgabe desThemas festliegen. Die Ba-chelorarbeit muss von zweiPrüfern bewertet werden. Siekann auch als Gruppenarbeitangefertigt werden. Der alsPrüfungsleistung zu bewer-tende Beitrag des einzelnenPrüflings muss aufgrund derAngabe von Abschnitten, Sei-tenzahlen oder anderer objek-tiver Kriterien deutlich ab-grenzbar und für sich zubewerten sein. Nähere Infor-mationen zur Bachelorarbeit

sind der Prüfungsordnung zum Studiengang„Nanotechnologie“ zu entnehmen.

DER MASTER-STUDIENGANG

Der akkreditierte Master-Studiengang Nano-technologie ist als Weiterführung des Bache-lor-Studiengangs Nanotechnologie konzipiertund startet daher im Anschluss, d. h. wenn dieersten Studenten mit dem „Bachelor ofScience“ erfolgreich abgeschlossen haben.


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STRUKTUR DES STUDIENGANGES

Der Masterstudiengang Nanotechnologie wirdfür Bachelorabsolventinnen und -absolventender Studienrichtungen Nanotechnologie, Ma-schinenbau, Elektrotechnik, Chemie und Physikangeboten. Die Regelstudiendauer beträgt vierSemester, wovon ein Semester auf die Master-arbeit entfällt. Insgesamt sind 120 Leistungs-punkte (LP) zu erreichen, welche sich wie folgtauf die einzelnen Leistungen aufteilen:

Pflicht-Kompetenzfeld „Methoden der Nanotechnologie“ . . 16 LP

3 Wahl-Kompetenzfelder . . . . . . . . . . . . 48 LP3 Wahlkurse aus dem Angebot der

Leibniz Universität Hannover einschließlich der Kompetenzfelder aus dem Studium Generale . . . . . . . 12 LP

3 Labore (360 Stunden) . . . . . . . . . . . . . 12 LPFachexkursionen (4 Tage) . . . . . . . . . . . . 2 LPMasterarbeit (6 Monate) . . . . . . . . . . . . . 30 LPSumme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120 LP

GRUNDLAGENKURSE

Die Grundlagenkurse des Pflicht-Kompetenz-feldes sind von allen Studierenden zu besuchenund vermitteln wichtige Kenntnisse aus denMethoden der Nanotechnologie.

WAHLKURSE

Neben den Grundlagenkursen sind von denStudierenden drei der angebotenen Wahlkom-petenzfelder als Vertiefungsfächer zu wählen:

ChemieChemie der NanowerkstoffeLasertechnik/PhotonikMaterialphysikMikroelektronikMikro- und NanotechnologienMikroproduktionstechnikNano- und MikroprozesstechnikNanoelekronik/Molekulare Elektronik

Die Wahlkompetenzfelder gliedern sich wiede-rum in Pflicht- und Wahlveranstaltungen. Diezu erreichende Gesamtpunktzahl der Wahl-felder beträgt mindestens 48 LP.

LABOR (360 STUNDEN, 12 LP)

Im Rahmen des Studiums müssen die Stu-dierenden verschiedene Labore absolvieren.Als Labore sind ein Mikroelektroniklabor, einLaborpraktikum Festkörperphysik sowie einMikrotechniklabor vorgesehen.

FACHEXKURSIONEN (4 TAGE, 2 LP)

Fachexkursionen zu Firmen, Forschungsein-richtungen oder Fachmessen in einem Umfangvon vier Tagen.

MASTERARBEIT (6 MONATE, 30 LP)

Den Abschluss des Studiums bildet die Master-arbeit mit einer Gesamtdauer von sechs Mona-ten. Die Masterarbeit soll zeigen, dass derPrüfling in der Lage ist, innerhalb einer vor-gegebenen Frist ein Problem selbstständignach wissenschaftlichen Methoden zu bearbei-ten. Die Art der Aufgabe und die Aufgaben-stellung müssen mit der Ausgabe des Themasfestliegen. Die Masterarbeit muss von zweiPrüfern bewertet werden. Sie kann in der Formeiner Gruppenarbeit angefertigt werden. Derals Prüfungsleistung zu bewertende Beitragdes einzelnen Prüflings muss aufgrund derAngabe von Abschnitten, Seitenzahlen oderanderer objektiver Kriterien deutlich abgrenz-bar und für sich zu bewerten sein.

Nähere Informationen zur Masterarbeit sindder Prüfungsordnung zum Studiengang „Nano-technologie“ zu entnehmen.

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KONTAKT

Dr. Fritz Schulze WischelerGeschäftsführerLaboratorium für Nano- und Quanten-engineeringLeibniz Universität HannoverSchneiderberg 32D–30167 Hannover

Telefon +49 (0) 511 762-5031Telefax +49 (0) 511 762-5051E-Mail [email protected]

Internet http://www.lnqe.uni-hannover.de/nano/

AUTOREN

Ilka Bickmann

Prof. Ralf Wehrspohn

Der Bedarf an hervorragenden Talenten für die-sen Zukunftsmarkt und die Sicherung dieserRessourcen und ihres Innovationspotenzials fürden Wirtschaftsstandort Deutschland ist im-mens. Der Entwicklung und Berücksichtigungweiblicher Führungskräfte in den Nanotechno-logien sowie der Förderung innovativer Grün-dungsideen in Nano kommt daher eine wach-sende Bedeutung zu.

NANO4WOMEN – DURCH LÄNDER-

ÜBERGREIFENDE VERNETZUNG UND

VORBILDER MOBILISIEREN

Frauen starten in den Naturwissenschaftendurch und haben längst keinen Exotenstatusmehr in der einstigen Männerdomäne. So ist inden letzten zehn Jahren der Frauenanteil intechnisch und naturwissenschaftlich aus-gerichteten Fachrichtungen je nach Studien-fach auf 21 bis 37 Prozent angestiegen. Seitdem Herbst 2005 ist daher das Netzwerknano4women am Start, das sich die Karriere-förderung von Nachwuchswissenschaftlerin-nen im Zukunftsmarkt Nano-Technologie zumZiel gesetzt hat. Gefördert vom Bundesministe-rium für Bildung und Forschung markierte eineinternationale Nano-Fachtagung den Einstiegin das gezielte Networking. Aktuell umfasst das

Netzwerk rund hundert Nanowissenschaft-lerinnen, unter dem Engagement der beidenInitiatoren Prof. Ralf Wehrspohn und Ilka Bick-mann wurden unterschiedliche Aktivitäten zurVernetzung, Personalisierung und Positionie-rung von erfolgreichen Nanowissenschaftlerin-nen in der Fachöffentlichkeit wie auch in denMedien und der breiten Öffentlichkeit ins Lebengerufen.

Eine innovative Initiative ist dabei beispiels-weise nano+art – Der Wettbewerb (for

women only), der – unterstützt von Industrie-partnern wie Evonik – inzwischen erfolgreich indie vierte Runde geht. Ziel ist es, einen inno-vativen Wettbewerb für Nanowissenschaftle-rinnen zu schaffen, um über das Medium derKunst der breiten Öffentlichkeit einen – ästheti-


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Ein Karrierenetzwerk für Frauen stellt sich vor

Nano4women

Die Nanotechnologie kristallisiert sich als eine der wichtigsten Technologien

der Zukunft heraus. In Deutschland gibt es derzeit ca. 625 Nanotechnologie-

Unternehmen (125 Großunternehmen und 500 KMU), zwischen 50.000 und

100.000 Arbeitsplätze sind in Deutschland direkt oder indirekt von Nano abhän-

gig. Deutschland ist die Nummer 1 auf diesem Gebiet in Europa. Die Hälfte aller

Nano-Firmen in Europa sind deutsche Unternehmen. Mit Aktionslinien der Län-

der, der „Nano-Initiative 2010“ des Bundes wird die Forschung und Entwicklung

sowie der Transfer in die Wirtschaft gefördert.

schen – Zugang zu Nano als Zukunftstechno-logie zu ermöglichen, aber auch erfolgreicheNaturwissenschaftlerinnen zu porträtieren.

Eine parallel entstandene Best-of-Wanderaus-stellung der preisgekrönten Werken diesesWettbewerbs tourt seit einem Jahr quer durchDeutschland und bewirbt öffentlich das breiteund ästhetische Spektrum der Nanotechnolo-gie und den weiblichen Köpfen dahinter. Zudemist diese Ausstellung festes Exponat des nano-trucks des BMBF. Als innovativer Ausstellungs-katalog wurde ein Postkartenkalender erstellt.

KLUGE KÖPFE FÖRDERN – WEIBLICHE

RESSOURCEN NUTZEN UND AUFBAUEN

Im Rahmen des Netzwerkes wurde als eine zu-nehmend relevante berufliche Option undKarrieremöglichkeit Ausgründungen aus derHochschule unter dem zusätzlichen Aspekt derGründung im Team identifiziert. Die steigendenZahlen von Studentinnen und Absolventinnenmit exzellenten Abschlüssen in den naturwis-senschaftlichen Fachbereichen belegen dashohe Innovationspotenzial von Gründerinnen indem zukunftsweisenden und interdisziplinärenFeld der Nanotechnologien.

Jedoch erfolgt nur etwa jede zwölfte Grün-

dung in diesem Bereich durch eine Frau. Da-mit liegt der Anteil der Frauengründungen inden High-Tech-Sektoren mit knapp acht Pro-

zent aber immer noch deutlich unterhalb desAnteils in der Gesamtwirtschaft (16 Prozent).

Deutschland verfügt bereits über eine sehrgute Ausgangsbasis für die wirtschaftliche Um-setzung von Aktivitäten im Bereich der Nano-Technologie. Diese Exzellenz in der Forschungwird allerdings noch nicht in vollem Umfangauch in Unternehmensgründungen umgesetztund genau hier setzt NEnA an: Um Wissen-schaftlerinnen, die in diesem zukunftsweisen-den Gebiet Nanotechnologie tätig sind oderarbeiten möchten, betriebswirtschaftliches

Know-how zu vermitteln, um aus ihren For-schungsergebnissen mögliche Gründungs-ideen und -konzepte zu entwickeln, gibt esNEnA.

NENA – NANO GOES ENTREPRENEURSHIP

NEnA – das steht für Nano-Entrepreneurship-Academies, eine Gründungs-Initiative, die,gefördert vom Bundesministerium für Bildungund Forschung, von dem Karrierenetzwerknano4women 2006 ins Leben gerufen wurde.NEnA ist als Initiative von nano4women Teil desAktionsprogramms „Power für Gründerinnen“des Bundesministeriums für Bildung und For-schung und führt von 2007 bis 2009 in Deutsch-land insgesamt drei einwöchige Nano-

Entrepreneurship-Academies durch. Unter

Abbildung 2

Die Gewinnerinnen NEnA II,

v.l.n.r.: Sofie Khalil, Karina

Porath, Martyna Polok und

Damiana Lerose

Foto: Maike Glöckner

Abbildung 1

nano+art

Foto: Luc de Smet

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der Federführung der Martin-Luther-Universi-tät Halle-Wittenberg, Prof. Ralf Wehrspohn,und der science2public – Gesellschaft für Wis-senschaftskommunikation, Ilka Bickmann, inZusammenarbeit mit Uniconsult und in Koope-ration mit der Zentrum für WeiterbildunggGmbH sowie einem starken bundesweit wieregional aktiven Netzwerk von über 100 Part-nerinnen und Partnern schlagen die jeweilseinwöchigen Trainingskurse die Brücke zwi-schen Wissenschaft und Wirtschaft.

FORSCHUNGSIDEEN FÜR DEN MARKT

PRÜFEN

BUSINESS-KNOWHOW ENTWICKELN

UNTERNEHMERISCHE KOMPETENZEN

AUSBAUEN:

DIE ERFOLGSFAKTOREN VON NENA

Das innovative Konzept und die Ergebnisse derersten beiden durchgeführten Akademienüberzeugen. Im Rahmen der einwöchigen Aka-demien werden vorhandene innovative For-schungsideen der Teilnehmerinnen für denMarkt evaluiert und innovative Lösungen ge-meinsam in Teams entwickelt. Der interaktiven


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„Am Anfang war da eine Idee”

Monika Lelonek, Diplom-Chemikerin

und angehende Gründerin der „Smart

Membranes“, über Wege zu einer

Gründung, die Bedeutung von Netz-

werken und Unterstützungsstruk-

turen für Wissenschaftlerinnen. Das

Interview führte Ilka Bickmann.

IB Monika Lelonek, Sie sind ja bereits seitAnfang 2007 mit dem Netzwerk nano4womenin Kontakt. Damals haben Sie bei dem laufen-den Wettbewerb nano+art teilgenommen undmit Ihrem Bild „Nano Grand Canyon“ gleichgewonnen. Im Herbst 2007 haben Sie dannNEnA – die Nano-Entrepreneurship-Academyim Rahmen von nano4women besucht und miteinem Frauenteam gemeinsam eine Geschäfts-idee entwickelt. Wie sind Sie auf die Aktivitätenvon nano4women aufmerksam geworden, undwas bringt Ihnen die Zusammenarbeit miteinem solchen Netzwerk speziell für Nano-wissenschaftlerinnen?

ML Kennengelernt habe ich nano4womendurch den nano+art Flyer, den ein Bekanntermir aus den Schreibtisch gelegt hat. Daraufhinhabe ich mir Website genauer angeschaut, fanddie Angebote dort interessant und habe michdann beim nano+art-Wettbewerb beworben.Einerseits war der Gewinn natürlich reizvoll,mehr aber noch das Kennenlernen und die Zu-

sammenarbeit mit anderen Frauen aus denNaturwissenschaften. Mit meinem Team ausder NEnA bin ich bis heute sehr eng befreundetund möchte sie nicht mehr missen. Wir disku-tieren viel über unsere Wissenschaft, was mirauch bei meiner Promotion hilft, da ich neueIdeen und Einblicke erhalten. Zudem entwi-ckeln wir gemeinsam neue Forschungsideen,die alleine so nie entstanden wären. Und es istauch einfach schön, in einem Bereich, in demsonst überwiegend Männer arbeiten, neben derreinen Forschung auch persönliche Themenmit Frauen besprechen zu können. Ich bin froh,dass ich über nano4women so viele interessan-te Persönlichkeiten kennenlernen konnte.

IB Sie sind Diplom-Chemikerin und Dokto-randin am Institut für Physikalische Chemie derUni Münster. Neben dieser wissenschaftlichenLaufbahn haben Sie durch die Teilnahme anNEnA nun eine weitere berufliche Option fürsich entdeckt, und zwar, gemeinsam mit IhremTeam, den „Smart Membranes“, eine Ge-schäftsidee für den Markt zu prüfen und ent-sprechend zu einem Gründungsvorhaben zuentwickeln. Was genau steckt hinter Ihrer Ge-schäftsidee der Smart Membranes? Was ist dasInnovative daran?

ML Die SmartMembranes entwickeln undproduzieren, wie der Name schon impliziert,Membranen für den Gebrauch in der Nano-technologie. Diese porösen Membranen kön-nen Poren mit einem Durchmesser im zwei-stelligen Nanometerbereich aufweisen, wasz.B. eine Filtration in so einem kleinen Maßstabermöglicht. Wir können auf Wunsch des Kun-den die Durchmesser der Poren in einer Mem-

Monika Lelonek – nano+art

Vermittlung kompakter betriebswirtschaft-licher Kompetenzen aber auch persönlichesKarrieretraining, Soft Skills etc. kommen dabeibesondere Bedeutung zu. Die Abschluss-präsentation vor einer hochkarätigen Jury kürtdas beste Team, die Gewinnerinnen nehmen aneinem mehrmonatigen Business-Aufenthalt inden USA in Zusammenarbeit mit Evident Tech-nologies teil und erhalten gezieltes Business-Coaching zur Weiterverfolgung ihrer Ge-schäftsidee. Für die anderen Teilnehmerinnen

der Akademie bietet das Advanced-Programmvon NEnA weiterführende Workshops in denBereichen Ideen-Check, Businessplan, Kar-rieretraining an.

Aus den ersten beiden Akademien haben sichaus den Teams ein Drittel konkreter Grün-

dungsideen herausgebildet, die über Finan-zierungen der Fraunhofer VC Group, Exist-Stipendium oder BMBF-Fördergelder weiterentwickelt und ausgebaut werden.

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bran genau einstellen, was heutzutage keinermit dieser Genauigkeit kann.

IB Gründungsteams aus drei Gründer/in-nen sind bekanntlich am erfolgreichsten. Wiegestaltet sich bei den Smart Membranes dieZusammenarbeit in Ihrem Team? Wer machtwas? Gab es hier Veränderungen?

ML Das Team, das bei der NEnA gewonnenhat und die gemeinsame Idee hatte, bestandursprünglich aus vier Frauen. Während unse-res USA-Aufenthalts, dem Gewinn aus NEnA,haben wir darüber diskutiert, ob sich die Ideetatsächlich verwirklichen lässt und ob wir unseine Ausgründung für uns selbst als Zukunfts-perspektive vorstellen können. Für zwei Kol-leginnen war relativ schnell klar, dass dieSelbstständigkeit aktuell keinen berufliche Op-tion darstellt. Daher sind wir aktuell zu zweit,eine von uns eher die Technologieexpertin, dieandere eher betriebswirtschaftlich orientiert.Zusätzlich haben wir noch die Unterstützungeiner der ehemaligen Frauen, die uns in deraktuellen Phase der Businessplan-Erstellungtatkräftig unterstützt.

IB Ausgründungen aus der Wissenschaft …ein langer und oftmals steiniger Weg. Wo ste-hen Sie gerade in Ihrem Prozess der Grün-dung? Welche für Sie relevanten Phasen undSchritte haben Sie bereits hinter sich, was liegtaktuell vor Ihnen? Wo wollen Sie hin?

ML Ja, der Prozess ist natürlich schon einlanger Weg, der aber Spaß macht, da wir einUnternehmen letztendlich selbst auf die Beinestellen. Wir sind im Moment dabei, den Busi-

ness Plan zu schreiben, machen die erstenKundenkontakte und diskutieren mit Lieferan-ten. Das sind völlig neue Erfahrungen für uns,die ungemein unseren wissenschaftlichen Ho-rizont erweitern. Es war uns wichtig, das Grün-dungsteam herauszuarbeiten und zu erkennen,in welcher Position wir uns selbst später imUnternehmen sehen. Und unsere Stärken undSchwächen dabei herauszuarbeiten. Nun stehtdie Kundenakquise an. Denn solange wir denMarkt nicht abschätzen können, wissen wirnicht, was unser Produkt wirklich wert ist. Dasist eins der wichtigsten Schritte, den wir daherfrühzeitig angehen: Interesse bei den Kundenzu wecken und auch Kooperationspartner zufinden. Damit haben wir eine wesentlicheGrundlage für ein zukünftiges Unternehmengeschaffen.

IB Kann nano4women Sie bei der Um-setzung Ihrer Ziele unterstützen? Was wün-schen Sie sich dazu konkret?

ML Letztendlich sind wir es selbst, die un-sere Ziele umsetzen können. Nano4women hatuns durch die Vernetzung zu anderen Einrich-tungen sehr geholfen. So haben wir durch dasNetzwerk Kontakt zum Fraunhofer Institut undzur Initiative Scidea des Landes Sachsen-An-halt erhalten. Durch deren Einsatz haben wirüberhaupt die finanziellen Grundlagen und dasentsprechende Business-Coaching, um unse-ren Businessplan professionell zu entwickeln.Nano4women sollte auch in Zukunft sein Netz-werk erweitern und Wissenschaftlerinnen wieuns zur Verfügung stellen, damit Ausgründun-gen aus der Wissenschaft durch solche Unter-stützung vereinfacht werden.

NANO4WOMEN – NENA …

WIE GEHT ES WEITER?

Aktuell steht die dritte NEnA bevor. In Koope-ration mit der TU Darmstadt, Prof. Schwalke,findet diese Akademie vom 22. bis 27. März2009 in Darmstadt statt. Nach dem Erfolg derbisherigen Initiative ist die Durchführung weite-rer NEnAs auf Länderebene sowie auch länder-übergreifend mit europäischen Kooperationengeplant. Flankierende Ergebnisse der NEnA-Initiative sind:

eine (erste) umfassende Gründungspoten-zialstudie zum Spektrum „Gründungspo-tenzial von Frauen in Nano“ in Zusammen-arbeit mit der Uni Gießen und Uniconsult,dem Technologietransfer der UniversitätPaderborn,die Entwicklung eines PC-basierten Unter-nehmensplanspiels „NanoTec“ für Grün-dungen im Hightech-/Nano-Bereich in Zu-sammenarbeit mit der Nanostart AG, derUniversität Gießen sowie der UGS GmbH.

Im Rahmen der bisherigen Aktivitäten fürNano-Wissenschaftlerinnen wurde die Platt-form www.nano4women.com begründet.Diese dient aktuell als Informationsplattformüber die einzelnen Initiativen, bietet aber überden Ausbau eines internen Community-Be-reichs auch optimale Möglichkeiten für den zu-künftigen Ausbau eines länderübergreifendenNetzwerkes. In Rahmen des Ausbaus sind wei-tere Projekte zur konkreten Karriereförderungvon Nanowissenschaftlerinnen wie Aufbaueines Mentoring-Systems, netzwerkverste-tigende Fortbildungsmaßnahmen zu Führungs-und Managementkompetenz, Vereinbarkeits-fragen u.a. geplant.

Mehr Informationen unterwww.nano4women.com > NEnA

Hier auch zum Anschauen: NEnA – Der Film und NEnA – Der Spot


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KONTAKT

Ilka Bickmann · Projektmanagement nano4womenc/o Martin-Luther-Universität Halle-WittenbergInstitut für Physik · Fachgruppe μMDHeinrich-Damerow-Straße 4D–06120 HalleTelefon +49 345 5528 517 · Sek. Frau PflügerTelefax +49 345 5527 391E-Mail [email protected]

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AUTOREN

Prof. Dr. Rolf Hempelmann

Walter Zehren

Matthias Mallmann

NANO-LABORE FÜR SCHÜLER

Die Theorie: Schüler lernen besser, wenn sieforschen. So soll ihr naturwissenschaftlichesGrundverständnis durch selbstständiges Ex-perimentieren gefördert werden. Vor allem,wenn die Forschungsaufgabe einen direktenBezug zu Themen ihres Schulunterrichts hat.Dass das funktioniert, konnte Walter Zehren,Lehrer für Chemie, Physik und Biologie an derMarienschule in Saarbrücken, beweisen. In sei-ner Dissertation „Forschendes Experimen-

tieren im Schülerlabor“, die unmittelbar vordem Abschluss steht, zeigt er, dass nachhaltigeWirkungen sowohl im emotionalen wie im kog-nitiven Bereich erreicht werden, wenn Schülerregelmäßig im Labor arbeiten und die dabeidurchgeführten Experimente thematisch in denlaufenden Unterricht eingebettet werden.

Die Praxis: Das Schülerlabor NanoBioLab.Es wurde 2003 gegründet und gehört zur Fach-richtung Chemie der Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät III der Universität desSaarlandes. Die Betreuung der Schüler/-innenund die Entwicklung der Versuche wurde vonBeginn an von Walter Zehren geleitet, derneben seiner schulischen Tätigkeit seit 2007 für acht Wochenstunden an der Universitätarbeitet.

Rund achttausend Schüler aus über zwanzigsaarländischen, zwei rheinland-pfälzischen

und einer französischen Schule haben das La-bor schon besucht. Zudem wird das Labor vonHochbegabten und Juniorstudenten und imRahmen der Lehrerausbildung genutzt.

Im NanoBioLab werden den jungen LeutenProbleme vorgelegt, die sie mit den bereit-gestellten Geräten und Chemikalien experi-mentell lösen sollen; d. h. sie sollen eigeneLösungswege finden und sich dazu geeigneteVersuche ausdenken. Studierende des Lehr-amts Chemie als Betreuer geben ab und zueinen Tipp und greifen – aber erst nach einemFehlversuch – helfend ein, wenn die korrekteRichtung nicht gefunden wurde. NanoBioLabhat zwölf Arbeitsplätze, an denen die Schüler inZweier- oder Dreiergruppen arbeiten. Es kom-men ganze Schulklassen mit ihren Fachleh-rern. In mittlerweile fast vierzig Versuchen gehtes z. B. um die Analyse von Alkanen, dieBestimmung des Zuckergehalts in Cola undCola Light, die Herstellung von Metallen (auchin nanokristalliner Form), die Bakterizid-wirkung von Silber-Nanopartikeln oder um dieSynthese von Farbstoffen. Das Repertoire derVersuche wird beständig erweitert.

Natürlich müssen die Schüler bei Aufgaben imBereich der Nanotechnologie stärker angeleitetwerden. Das wirkt sich aber nicht negativ aus.Im Gegenteil: Durch die Verknüpfung mit dem


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Nanotechnologie imSchulunterrichtGoldcluster, Ferrofluide oder funktionelle Nano-Oberflächen im Chemie-

unterricht – geht denn das? Es geht. Das Saarland macht es vor. Es gilt inter-

national als Hochburg der chemischen Nanotechnologie. Und so verwundert es

nicht, dass man sich hier ganz besonders um den wissenschaftlichen Nachwuchs

bemüht. Das beginnt bereits in der Schule.

Schulstoff wird das naturwissenschaftlicheGrundverständnis gefördert. Gibt man denSchülern hingegen reine „Kochbuchaufgaben“,trägt das nicht unbedingt zu einem gesteiger-ten Interesse an naturwissenschaftlichen Fra-gestellungen bei.

NANO-LABORE FÜR LEHRER

Seit dem Wintersemester 2006/07 ist die Arbeitim NanoBioLab Pflichtveranstaltung des Lehr-amtsstudiengangs Chemie der Universität desSaarlandes – als Fachdidaktik-Modul „For-schendes Lernen und Experimentieren“.

Dadurch wird neben einer Verbesserung deruniversitären Lehrerausbildung auch die Leh-rerfortbildung um einen wichtigen Aspekterweitert: Denn die ehemaligen Betreuer besu-chen als Lehrer mit ihren Klassen das Laborund übertragen somit Neuerungen aus der Uni-versität unmittelbar in die Schulen. Das betrifftneben fachdidaktischen Aspekten auch fach-wissenschaftliche Aspekte.

Damit Schüler selbständig kreativ Im Laborarbeiten können, müssen die naturwissen-schaftlichen Fragestellungen angemessenfachdidaktisch aufbereitet und mit dem Unter-

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richtsstoff verknüpft werden. Denn dadurchwird träges Wissen aktiviert und ein Gefühl vonKompetenz, Autonomie und Eingebundenseinin eine Forschungsgemeinschaft erzeugt. Sokann sich persönliches Interesse für eine wei-tere Beschäftigung mit dem Thema bilden, diewiederum ein tiefer gehendes Verständnis nachsich zieht.

Das große Problem ist jedoch die Nachhaltig-keit, und das gilt für alle Schülerlabore inDeutschland: Nachhaltiges Interesse an denNatur- und Ingenieurwissenschaften erforderteinen jahrelangen Betrieb der Labore und nichtnur ein einmaliges „Strohfeuer“.

NACHHALTIGKEIT:

DIE SAARLAB INITIATIVE

Seit Mitte 2007 haben sich die sieben saarlän-dischen Schülerlabore zum SaarLab-Verbundzusammengeschlossen. Durch den Zusam-menschluss versprechen sich die beteiligtenSchülerlabore bessere Möglichkeiten, ihregemeinsamen Ziele realisieren zu können.

Als erste große gemeinsame Aktion wurde imOktober 2007 in den schulischen Herbstferienein einwöchiges Wissenschaftscamp durch-geführt: die Sieben-Labore-Tour 2007. Wegender sehr guten Resonanz wird diese Sieben-Labore-Tour seit 2008 zweimal pro Jahr ange-boten. Seine Aktivitäten verleihen dem Verbundeine Sonderstellung innerhalb der deutschenSchülerlaborszene, in der aktuell etwa zwei-hundert Labore vertreten sind.


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Ein klassischer und recht leicht durchführ-barer Versuch ist die Herstellung von nano-skaligem Gold (auch Gold-Sol oder kolloi-dales Gold genannt). Schon im Mittelalterverwendeten die Menschen nanoskaligesGold zur Färbung von Gläsern z. B. bei Kir-chenfenstern oder Kelchen. Charakteris-tisch ist die tiefrote Farbe (Rubinrot), diedurch die Goldpartikel erzeugt wird. Dabeihängt die Färbung von der Größe der Parti-kel ab.

Goldkolloide werden in der NanoSchoolBoxzum Beispiel aus einer Goldchloridlösung(HAuCl4, 0,5 Vol. %) und einer Citratlösung(Trisodium-Citrat, 11,4 g in 1l H2O, herge-stellt.

Nach der Zugabe von 0,5 ml Goldlösung in28 ml Wasser entsteht unter Erhitzung auf

100 Grad und Zugabe von 1,5 ml Citrat-lösung eine typische Rotfärbung der Lö-sung, die zunimmt bis sie eine tiefrote Farbeerreicht hat.

Die entstandenem, etwa 12–18 nm kleinenGold-Kolloide lassen sich durch den Tyn-dall-Effekt nachweisen. Er ist bedingt durchdie Streuung des sichtbaren Lichtes (400–800 nm Wellenlänge) an suspendierten sub-mikroskopisch kleinen Teilchen, also anNanopartikeln.

Um den Effekt zu sehen, wird die Kolloid-Lösung seitlich mit einem Laserpointerdurchleuchtet. Der Verlauf des Laserstrah-les lässt sich beobachten. Als Gegenprobedient eine „echte“ Lösung, z. B. Kalium-permanganat in Wasser, bei der sich derStrahlenverlauf nicht verfolgen lässt.

Herstellung von nanoskaligem Gold

Im SaarLab-Verbund wird eine fächerübergrei-fende Zusammenarbeit geleistet, die selbstgroße Zentren mit ihrer Vielzahl an Schüler-laboren nicht vorweisen können. Beteiligt isteine Vielzahl unterschiedlicher naturwissen-schaftlicher Fachrichtungen (Biochemie,Nanoanalytik, Chemie, Bioverfahrenstechnik,Mechatronik und Materialwissenschaften).Schüler kommen dadurch im Rahmen einereinzigen Veranstaltung in Kontakt mit unter-schiedlichen Fachbereichen. Dadurch wirdnicht nur fächerübergreifendes Lernen geför-dert, sondern auch eine erste Orientierung imHinblick auf die spätere Wahl eines Studien-faches möglich.

NANOTECHNOLOGIE IM KOFFER

Eine weitere Möglichkeit, um Schüler für dieNanotechnologie zu begeistern, zeigen dieKompetenznetzwerke NanoBioNet e. V. undcc-NanoChem auf. Sie haben in den letztenJahren zwei Experimentierkoffer zum Einsatzin der Schule entwickelt.

Die „NanoSchoolBox“ des gemeinnützigenNanoBioNet e. V. enthält vierzehn Experimenteund fünf Demoobjekte, die Nano-Effekte imwahrsten Sinne des Wortes begreifbar machen:

Warum perlt Wasser von manchen Stoffenab, macht aber andere nass?Was ist der Lotuseffekt?Wie kann Glas Strom leiten?Warum werden manche Textilien nichtnass und schmutzig?Gibt es Papier, das nicht brennt?Wie macht man Möbeloberflächen kratz-fest?Können Metalle sich an ihre Form erin-nern?Was hat ein Schwangerschaftstest mitNanotechnologie zu tun?

Auch internationale Institute und Organisatio-nen interessieren sich für diese Bildungs-aktivitäten und Entwicklungen. Daher ist dieNanoSchoolBox auch in englisch und franzö-sisch erhältlich und ein guter Multiplikator fürden Bildungsstandort Deutschland und Nano-technologie „Made in Germany“.

Der „Experimentierkasten zur chemischen Na-notechnologie“, entwickelt vom cc-NanoChem,enthält eine Reihe von Versuchen, die sichebenfalls zur Integration in den Schulunterrichteignen, den interdisziplinären Charakter derNanotechnologie unterstreichen, sowie ihr An-wendungspotenzial verdeutlichen. Die Ver-suche behandeln Fällungsreaktionen unterBildung farbiger Goldsole, die Erzeugung einerextrem Wasser abweisenden Oberfläche durchBeschichten mit einem Nanokomposit, magne-tische Flüssigkeit, magnetische Nanopartikelzur Abtrennung von Schwermetallen ausLösungen und photokatalytische Nanopartikel.

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KONTAKT

R. Hempelmann 3

W. Zehren 1,2

M. Mallmann 3

1 Physikalische Chemie, Universität des Saarlan-des, D–66123 Saarbrücken

2 Marienschule, D–66115 Saarbrücken

3 NanoBioNet e. V., D–66123 Saarbrücken

WEITERE INFORMATIONEN

Die saarländische Schülerlabore und dasNanoBioLab findet man unter www.saarlab.de.Der Experimentierkasten zur ChemischenNanotechnologie kann über die Fa. Hedin-ger zum Preis von 290 EUR bezogen wer-den. Informationen unter www.cc-nanochem.de.Die NanoSchoolBox kann zum Preis von235 EUR zzgl. MwSt. und Versandkostenüber NanoBioNet bezogen werden: www.nanobionet.de.

AUTOREN

Prof. Dr. Lothar Abicht

Dr. Gerald Dubiel

Ekkehard Schlicht

Uwe Schumann

NANOTECH-UNTERNEHMEN

IN DEUTSCHLAND

In Deutschland gibt es ca. 700 Nanotech-Unternehmen, die in verschiedenen industriel-len Branchen aktiv sind[1]. Um herauszufinden,wie diese Unternehmen personell aufgestelltsind und welchen Qualifizierungsbedarf die Be-schäftigten haben, hat das isw Institut fürStrukturpolitik und Wirtschaftsförderung dieStudie „Weiterbildungsbedarf in Unternehmender Nanotechnologie“[2] durchgeführt, basie-rend auf einer quantitativen Unternehmens-befragung mit einem halbstandardisierten Fra-gebogen. Von Januar bis März 2008 wurden 194von 567 kontaktierten Nanotech-Unternehmenbefragt.

Die Nanotechnologien gelten als Querschnitts-und Schlüsseltechnologien mit ausgeprägtemfachübergreifendem Charakter. Dementspre-chend ordnen sich die befragten Nanotech-Unternehmen verschiedenen industriellenBranchen zu, wie Chemie/Verfahrenstechnik

(27%), Elektronik/Elektrotechnik (27%), Phar-ma/Medizin (25%), Optik (23%) oder Maschi-nenbau (22%). Viele Firmen finden sich dabei inmehreren Branchen wieder.

82 Prozent der Befragten sind kleine und mitt-lere Unternehmen mit weniger als 250 Be-schäftigten. Eindrittel dieser Betriebe verfügtüber weniger als zehn Mitarbeiter, siehe fol-gende Abb.1.

Je größer die Betriebe sind, desto mehr betei-ligen sie sich an der Erstausbildung, bis zu 88Prozent bei den größeren Unternehmen, alsomit 250 und mehr Beschäftigten. Insgesamt bil-den 42 Prozent der befragten Unternehmenaus. Häufige Ausbildungsberufe sind neben denkaufmännischen, Mechatroniker (13%), Che-mielaborant (12%), Elektroniker/Automatisie-rungstechnik (10%) sowie Chemikant (9%).

Die Qualifikationsstruktur der Betriebe zeigt,dass Akademiker am häufigsten vertreten sind,


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Nano-Weiterbildungsbedarf

Für die weitere Entwicklung der Nanotechnologie sind gut ausgebildete Fach-

kräfte von entscheidender Bedeutung. Wie sich der Fachkräfte- und Weiter-

bildungsbedarf in den deutschen Nanotech-Unternehmen abzeichnet, beant-

wortet die neue Studie des isw Instituts, erstellt im Auftrag des Bundesministe-

riums für Bildung und Forschung und koordiniert vom VDI Technologiezentrum

Düsseldorf. Demnach zeigt sich, dass momentan überwiegend kleine und mitt-

lere Unternehmen im forschungsintensiven Bereich der Nanotechnologie tätig

sind. Diese erwarten eine deutliche Zunahme der Beschäftigten von mehr als

fünfzig Prozent bis zum Jahr 2013, auf Grund ihrer ausgeprägten Innovations-

und Wachstumsorientierung.

Ergebnisse einer Unternehmensbefragung

Foto · Quelle: Novosom AG

also durchschnittlich jeder zweite Mitarbeiterüber einen Hochschulabschluss verfügt, sieheAbb. 2.

Im Durchschnitt zeigt sich, je kleiner die Unter-nehmen sind, desto stärker sind Akademikeranteilsmäßig vertreten. Zehn Prozent der Be-schäftigten sind Meister oder Techniker und einFünftel Facharbeiter. Diese Gruppe, aber auchdas Personal in der Verwaltung sowie An- undUngelernte sind im prozentualen Vergleichstärker vertreten, je größer das Unternehmenist.

SITUATION IN DER WEITERBILDUNG

UND BEIM WISSENSTRANSFER

In der interdisziplinär und forschungsintensivausgerichteten Nanotechnologie sind für dieUnternehmen Kooperationen mit externen Wis-sensträgern bzw. Experten aus Universitäten,Fachhochschulen sowie Forschungsinstitutenbesonders wichtig für den Know-how-Transfer.In diesem Prozess wird auch das Engagementvon regionalen Kompetenznetzwerken undClustern als wichtig angesehen, wie in Abb. 3dargestellt.

Beim Wissenstransfer wird die praxisgerechteAufbereitung von Forschungs- und Entwick-lungsergebnissen als bedeutsamste Hilfe-stellung angesehen, gefolgt von der Forderungnach effizienten Netzwerken. Damit werden dieÜberlegungen über eine noch stärkere Unter-stützung der mittelständischen Nanotech-Unternehmen bekräftigt, die auf eine Förde-rung und Unterstützung von Unternehmens-netzwerken in diesem Bereich abzielen.

Über externe Weiterbildungserfahrungen ver-fügen rund 60 Prozent der Unternehmen. Aller-dings entsprechen die jetzigen Bildungs-angebote häufig nicht ihren Bedarfen. Zudembestehen bei mehr als jedem dritten BetriebUnsicherheiten hinsichtlich der Qualität oderTransparenz der Angebote. Auch auf Grund vonEngpässen in der Finanzierung und durch hohearbeitszeitliche Belastungen in vor allem klei-nen Unternehmen werden externe Weiter-bildungsmaßnahmen nicht bzw. nur gelegent-lich realisiert.

Für die Weiterbildung der Mitarbeiter werdenvorwiegend Wege genutzt, die informellenCharakter tragen. Das betrifft den Besuch von

Fachtagungen und Messen (93%), das Studiumvon Fachpublikationen (87%), den Erfahrungs-austausch mit Fachkollegen (84%) und dieWeiterbildung am Arbeitsplatz (72%). Nach wievor nehmen aber auch formale Weiterbildun-gen, wie der Besuch von Lehrgängen und Se-minaren (70%) einen wichtigen Platz in derbetrieblichen Weiterbildungspraxis ein.

Der Weiterbildungsbedarf in den Unternehmenist sehr vielfältig, vor allem bei den fachüber-greifenden Kompetenzen sowie in den natur-und technikwissenschaftlichen Fachbereichen.

Abbildung 1

Größe der teilgenommenen

Nanotech-Unternehmen

Abbildung 3

Bedeutung externer Einrichtun-

gen für den Know-how-Transfer

Abbildung 2

Qualifikationsstruktur der Nano-

tech-Unternehmen

93A U S G A B E 2 2 0 0 9

Foto · Quelle: Novosom AG

Abbildung 4

Weiterbildungsschwerpunkte

im Kompetenzbereich „Natur-

und Technikwissenschaften“

(N = 194)

Abbildung 5

Weiterbildungsschwerpunkte

im Bereich „Methodische und so-

ziale Kompetenzen“ (N = 194)

Abbildung 6

Weiterbildungsschwerpunkte im

Bereich Herstellung (N = 194)

Abbildung 7

Erwartete Beschäftigungs-

entwicklung der Nanotech-

Unternehmen

Im Rahmen der Studie wurde der Weiter-bildungsbedarf unterschieden nach Akademi-kern und Facharbeitern, jeweils in den Kompe-tenzschwerpunkten Natur- und Technikwissen-schaften, im Bereich der Herstellung undAnalytik sowie bei den methodischen und sozia-len Anforderungen. Im Ergebnis zeigt sich, dassbesonders stark Projektmanagement, F&E-Management und Materialwissenschaftennachgefragt werden, gefolgt von Englisch, fach-übergreifendes Denken, Physik und Chemie,wie in Abb. 4 und 5 gezeigt.

Für den Bereich Herstellung fokussiert sich derWeiterbildungsbedarf auf die Verarbeitung vonNanopartikeln, die physikalischen und chemi-schen Beschichtungsverfahren PVD und CVD,auf das Sol-Gel-Verfahren und die Nanoparti-kelsynthesen, wie in Abb. 6 zu sehen.

Im Bereich „Charakterisierung und Analyse“werden auf den Gebieten der Rastermikro-skopie, der Partikelgrößenmessung und deroptischen Mikroskopie die Schwerpunkte gese-hen. Aber auch im Bereich „sonstiger fach-licher Kompetenzen“ existiert in den Unterneh-men Qualifizierungsbedarf. Vielfach genanntwurden Design/Methodik/Produktentwick-lung/CAD, Arbeitsschutz und Sicherheit, Um-gang mit Datenbanken sowie Messdaten-verarbeitung/Matlab.

POSITIVE BESCHÄFTIGUNGSENTWICK-

LUNG IN DEN NÄCHSTEN JAHREN

Auf Grund der hohen Innovations- und Wachs-tumsorientierung besteht in den Unternehmender Nanotechnologie ein großer zukünftigerPersonalbedarf. Insbesondere in den kleinenund mittleren Unternehmen ist perspektivischmit einem überproportionalen Wachstum derHumanressourcen zu rechnen. Ausgehend vomaktuellen Personalbestand im Jahr 2008 vonhochgerechnet 27.300 Beschäftigten in dendeutschen Nanotech-Unternehmen mit bis zu500 Mitarbeitern ist eine Zunahme bis 2010 um31 Prozent und bis zum Jahr 2013 um 58 Pro-zent prognostizierbar, siehe Abb.7.

Die Unternehmen erwarten demnach ins-gesamt deutliche Zunahmen ihrer Belegschaftauf über 43.000 Mitarbeiter in den nächstenfünf Jahren. Im Vergleich dazu rechnen Groß-


A U S G A B E 2 2 0 0 994

unternehmen mit deutlich moderateren Zu-wachsraten von fünf bis sieben Prozent. Vomderzeitigen Personalbestand in den Unterneh-men sind etwa 20.000 Menschen direkt imBereich der Nanotechnologie tätig. Hoch-gerechnet bestehen für Betriebe mit bis zu 500Beschäftigten in den nächsten zwei JahrenQualifizierungserfordernisse bei circa 15.600Mitarbeitern.

Die Ergebnisse zeigen, dass die Nanotech-Unternehmen in den nächsten fünf Jahrendeutlich mehr Fachkräfte benötigen. Diese po-sitive Beschäftigungsentwicklung geht einhermit einem ausgeprägten Bedarf an Weiter-bildung und der Nachfrage von Wissenstrans-ferprozessen.

QUELLENHINWEISE

1 VDI Technologiezentrum, Online-Daten-bank zur Nanotechnologie in Deutschland,unter www.nano-map.de

2 Abicht, L. et al.: Weiterbildungsbedarf inUnternehmen der Nanotechnologie. Studiedes isw Instituts, Halle, im Internet unterhttp://bildung-beruf.nanonet.de,2008.

KONTAKT

Prof. Dr. Lothar Abichtisw Institut gGmbHHeinrich-Heine-Straße 10D–06114 Halle/SaaleTelefon 0345 521360Telefax 0345 5170706E-Mail [email protected]

Internet www.isw-institut.de

95A U S G A B E 2 2 0 0 9

Foto · Quelle: Innolume GmbH

Den größten Teil dieser Kompetenz bündelt derMaterialforschungsverbund Dresden (MFD) e. V.Gegründet 1993 ist er heute ein gemeinnützigerVerein, dem über 20 universitäre, außeruniversi-täre und Industrie-Forschungseinrichtungenangehören. Er fördert u. a. die Zusammenarbeitder Institute in Verbundprojekten, bei Groß-investitionen sowie beim Transfer der Ergebnis-se in die Praxis. Und nicht zuletzt unterstützt er

ihre Bemühungen um den wissenschaftlichenNachwuchs. So organisiert der MFD in enger Zu-sammenarbeit mit der Technischen UniversitätDresden z. B. regelmäßig Ringvorlesungen fürdas Studium Generale und die Dresdner Bür-geruniversität. Die Vorträge informieren auf gutverständliche Weise über moderne materialwis-senschaftliche Themen, die in den Mitglieds-instituten bearbeitet werden.


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Das Spektrum der Dresdner Werkstoff-Forschung umfasst heute nahezu alle

Materialklassen: die verschiedensten Metalle und Legierungen, Polymere,

Keramik, Verbundwerkstoffe – und sogar das gute alte Holz – werden unter-

sucht, modifiziert, kombiniert und weiterentwickelt. Tiefe Temperaturen oder

hohe Magnetfelder kommen dabei ebenso zum Einsatz wie Oberflächen-,

Schicht- und Lasertechnologien. Nicht nur Grundlagen werden erforscht, son-

dern Entwicklungen häufig bis zum prototypischen Bauteil vorangetrieben.

Womit Dresden zu den führenden Materialforschungszentren Deutschlands

gehört und in internationalen Fachkreisen als wichtiger Standort der Werkstoff-

wissenschaften bekannt ist.

Gebündelte Kompetenzfür Studium und For-schung – die DresdnerWerkstoffwissenschaft

Ob Dampflok „Saxonia“, Meißener Porzellan oder Reinstsili-

zium – im Raum Dresden kann man bei innovativen Material-

Anwendungen auf eine lange Tradition bauen.

Am Leibniz-Institut für Festkörper- und Werk-stoffforschung Dresden (IFW) beispielsweisekonzentriert man sich im Wesentlichen aufFunktionswerkstoffe wie Supraleiter, Magnet-werkstoffe, Schichtsysteme und Nanostruk-turen, während das Leibniz-Institut fürPolymerforschung (IPF) mit seiner anwen-

dungsorientierten Grundlagenforschunghauptsächlich auf des Verständnis von Grenz-flächen-Effekten und die Nutzung des Grenz-flächen-Designs bei der Materialentwicklungabzielt. Das Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) wiederum bringt u. a. dieBereiche Ionenstrahlanwendung zur Modifizie-rung und Analyse oberflächennaher Schichten,Sicherheitsforschung sowie Materialanalysebei hohen Magnetfeldern in den MFD ein. Übereine starke Praxisorientierung verfügt die IMAMaterialforschung und AnwendungstechnikGmbH. Sie übernimmt wissenschaftlich-tech-nische Dienstleistungen bei der Erforschung,Entwicklung und Prüfung von Werkstoffen,Bauteilen sowie Erzeugnissen der verschie-densten Branchen. Aber auch die Grundlagen-forschung kommt im Verbund nicht zu kurz.Wissenschafter des Max-Planck-Instituts fürChemische Physik fester Stoffe z. B. unter-suchen intermetallische Verbindungen mitneuartigen chemischen und physikalischenEigenschaften.

Zu den Mitgliedsinstituten des MFD gehörenaber auch vier Dresdner Fraunhofer-Institute:für Keramische Technologien und Systeme(IKTS), für Fertigungstechnik und AngewandteMaterialforschung (IFAM, Institutsteil Dresden),für Werkstoff- und Strahltechnik (IWS) sowiefür Zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP, Insti-

tutsteil Dresden). Wissenschaftler des IKTSsind z.B. mit der Weiterentwicklung der Brenn-stoffzellen-Technik oder neuer keramischerHochleistungsbauteile aus biogenen Rohstof-fen beschäftigt. Schwerpunkte des IWS sind u. a. das Laserstrahlfügen, -trennen und -ab-tragen sowie die verschiedensten Arten derOberflächenbehandlung. Aus dem IFAM wiede-rum stammen metallische Hohlkugelstruk-turen für vielfältigste Anwendungen. Sie kom-men im Leichtbau, zur Wärme-Isolierung undSchallabsorption, als Crash-Absorber im Auto-mobilbau oder als Katalysatorträger für neue,effektivere „Abgaskats“ zum Einsatz. Und – be-sonders wichtig für diese weit gefächerten An-wendungen – die Mess- und Prüftechnik mussmit den neuen Werkstoffen und TechnologienSchritt halten. Am IZFP werden dazu u. a. inno-vative Röntgenprüfmethoden entwickelt, umBauteile und Baugruppen der Mikroelektronikauf Defekte überprüfen zu können. Als Beispielder Aktivitäten des IZFP findet sich in dieserAusgabe ein Beitrag über die Zusammenarbeit

Abbildung 1

Besucher auf der MFD-Ausstel-

lung zur Materialica in München

· Quelle: MFD

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Abbildung 2

Aufnahme einer Turbinenschau-

fel aus CMSX-6: Güteprüfung von

Einkristallen sowie einkristalli-

nen/grobkristallinen Halbzeugen

und Bauteilen mittels Brems-

strahl-Interferenz/Radiographie-

Verfahren. Dabei werden kristall-

grafische Informationen (Linien)

und Röntgen-Durchstrahlungs-

abbildung gleichzeitig sichtbar.

Die Radiographie der Schaft-

Riffelung (links, oberes Teilbild)

wird zusammen mit den Kristall-

informationen abgebildet.

Es zeigt sich, dass die Probe z. T.

erhebliche Defekte im Bereich

des Turbinenblattes aufweist

(unten rechts). · Quelle: Patent

DE 10 2008 008 829 (12.2.2008),

Bauch et al., TU Dresden

mit der TU Dresden im „Center for Non-Destructive Nano Evaluation – nanoeva“.

Das genannte Forschungsspektrum wird durchzehn weitere Mitgliedsinstitute des MFD ausden Reihen der TU Dresden noch erheblich er-weitert. Woraus vielleicht schon deutlich wird,dass die moderne Werkstoffwissenschaft eingroßes Betätigungsfeld für engagierte und mo-tivierte Studierende bietet. Diese finden nichtnur an der TU Dresden, sondern auch in dengenannten Forschungseinrichtungen, derenProfessoren häufig dazu Lehrstühle an der Uni-versität inne haben, modernste Themen fürPraktika und Abschlussarbeiten jeder Art – bishin zur Promotion.

Für eine fundierte Ausbildung mit breitgefä-cherten Einstiegsmöglichkeiten in die For-schung und Entwicklung empfiehlt sich derStudiengang Werkstoffwissenschaft der TUDresden. Im Wintersemester 2008/2009 wird ernoch auf bekannte Art als Diplom-Studiengangangeboten, wobei drei Studienrichtungen zurVerfügung stehen:

Konstruktionswerkstoffe,Funktionswerkstoffe,Materialwissenschaft (mit theoretischnaturwissenschaftlicher Ausrichtung).

Im Bachelor-Master-Konzept des Studien-gangs Werkstoffwissenschaft ab dem Winter-semester 2009/2010 werden die Grundkompe-tenzen des Diploms in gleicher Tiefe in der„Bachelor“-Ausbildung angeboten. Mit dieserQualifikation erhält man ein grundlegendesWerkstoffverständnis, das für einfachere Auf-gaben in der Industrie ausreichend ist. Um denklassischen Aufgaben von Universitätsabgän-gern mit Befähigung zu eigenverantwortlicherProjektbearbeitung, Forschung, Entwicklungund technischem Vertrieb gerecht zu werden,bietet der „Master“ eine im Vergleich zumbisherigen Diplom größere Freiheit derAusgestaltung des Studiums. Dies geschiehtdurch praxis- und wissenschaftsnahe Themenin vertiefenden Studienangeboten aus der in-novativen Forschung und Entwicklung desDresdner Umfelds. Die ehemals fest gefügtenVertiefungsrichtungen werden durch Empfeh-lungen für spezifische Interessen abgelöst, deruniversitäre Charakter des Studiums steigt. DieStudenten erhalten mehr Eigenverantwortungund sind somit auf den späteren Berufsmarktbestens vorbereitet.

Stellvertretend für das große Angebot der TUDresden sei hier auch das einzige ingenieur-technische Holzstudium an einer deutschenUniversität erwähnt: Die Studienrichtung„Holz- und Faserwerkstofftechnik“ ist im Stu-diengang „Verfahrenstechnik“ am Institut fürHolz- und Papiertechnik (IHP) angesiedelt. Zu-sätzlich werden ein postgraduales Aufbau-studium sowie der Masterstudiengang „Holz-technologie und Holzwirtschaft“ angeboten.Modern ausgestattete Labore zur Anatomie,Physik und Chemie des Holzes stehen zur Ver-fügung und für praktische Übungen gibt esjeweils ein Holztechnikum zur Holzwerkstoff-Herstellung und -bearbeitung (ZINT-Holztech-nikum). Die Forschung am IHP ist branchen-übergreifend und interdisziplinär strukturiert.Absolventen des Instituts finden ihre Einsatz-gebiete u. a. in der Säge- und Holzwerkstoff-Industrie, im Möbel- und Innenausbau, imHolzbearbeitungsmaschinenbau, aber auch inder Zellstoff- und Papierindustrie sowie in derpapierverarbeitenden Industrie.


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Und last but not least – ein Studienangebot ausdem Institut für Textil- und Beklei-dungstech-nik (ITB) der TU Dresden: hier werden dieStudienrichtung „Textil- und Konfektionstech-nik“ innerhalb des Maschinenbaus, der gleich-namige nicht-konsekutive Master-Studiengangund die Vertiefungsausbildung für Studierendedes Wirtschaftsingenieurwesens angeboten.Schwerpunktmäßig befassen sich die Studie-renden mit dem Textilmaschinenbau, den Tech-nologien zur Herstellung textiler Materialienund insbesondere auch mit den textilenKonstruktionswerkstoffen, speziell für den Ein-satz in technischen Textilien. Durch die inter-disziplinäre Ausbildung in der Einheit von Lehreund Forschung, wofür modernste Maschinenund Anlagen sowie Soft- und Hardware in dreiTextilmaschinenhallen und einer Vielzahl vonLaboren zur Verfügung stehen, erfasst der Ab-solvent das umfassende Lehr- und For-schungsgebiet in seiner Komplexität, lernt in-novative Forschungsfelder kennen und erwirbtdas notwendige Fachwissen für seine zukünfti-ge Tätigkeit in technischen Führungsfunktio-nen der Textil-, Bekleidungs- und Konfektions-industrie, des Textil- und Konfektions-maschinenbaus, in den Anwenderindustrien fürneue, insbesondere technische Textilien undTextilprodukte (Maschinenbau, Fahrzeug- undFlugzeugbau, Bauwesen, Medizin, etc.), in Ein-richtungen der Forschung und forschungs-bezogener Lehre. Die Studierenden und diePromovenden des ITB kommen gegenwärtigaus 24 Ländern und spiegeln somit die außer-ordentliche Internationalität der Produktionund Forschung des vom ITB vertretenen Fach-gebiets wider.

KONTAKT

Dr. Kerstin DittesGeschäftsführung des MFDc/o IFW, Postfach 270116D–01171 DresdenTelefon 0351 4659-283/-217Telefax 0351 4659-465E-Mail [email protected]

Internet www.mfd-dresden.de

Abbildung 3

Praktikum der Master-Studenten

am Nähroboter des ITB · Quelle:

ITB, TU Dresden

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UNTERNEHMENSGRÜNDUNG

Gegründet wurde die CAN GmbH im November2005 gemeinschaftlich von der Freien und Han-sestadt Hamburg (24,8% Gesellschaftsanteile),der Universität Hamburg (10%) sowie namhaf-ten Industrieunternehmen, die sich in einemTrägerverein zusammengeschlossen haben(65,2%). Mitglieder des für weitere Unterneh-men offenen Vereins sind u. a. die FirmenBeiersdorf AG, Eppendorf AG, Olympus Winter& Ibe GmbH, Merck KGaA, Firmenich SA,Perkin Elmer und die Nanogate AG sowie dieHandelskammer Hamburg und die HamburgerSparkasse.

FIRMENSTRUKTUR

Die CAN GmbH ist eng an die Hamburger Uni-versitäten und Forschungseinrichtungen an-gebunden und greift auf ein großes regionalesNetzwerk international herausragender For-scher im Bereich der Nanowissenschaften, derNanotechnologie und der Life Sciences zurück.Gleichzeitig bedient sich das Unternehmeneiner exzellenten apparativen Ausstattung aufhöchstem internationalem Niveau. Die CAN

GmbH ist dabei keinesfalls allein auf Hambur-ger Kooperationen ausgerichtet, vielmehr ste-hen wirtschaftliche und wissenschaftlicheAspekte im Vordergrund laufender und zukünf-tiger Kooperationen. Mit der in Public PrivatePartnership operierenden CAN GmbH wurdenalle organisatorischen Voraussetzungen ge-troffen, um F & E Aufträge universitätsnah undprofessionell abzuwickeln. Gestartet ist dieCAN GmbH Ende 2005 mit einer Kernmann-schaft von 6 Mitarbeitern. Mittlerweile hat sichdas Team auf 25 Mitarbeiter erweitert und sollin den nächsten Jahren auf etwa 50 aufgestocktwerden.

GESCHÄFTSIDEE UND PORTFOLIO

Die CAN GmbH bietet Industrieunternehmenund Forschungsinstitutionen den Zugang zuneuestem Wissen auf dem Gebiet der Nano-partikeltechnologie durch Abschluss von For-schungsaufträgen. Hierfür stellt die CAN GmbHihren Kooperationspartnern die ganze Erfahrungihres Forschungsteams zur Verfügung. Alle rele-vanten Synthese- und Modifizierungstechnolo-gien sowie eine breite Palette verschiedener


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Nanoparticles for your purpose

Das Centrum für Angewandte Nanotechnologie (CAN) GmbH bietet Auftrags-

forschung und Entwicklungsdienstleistungen auf dem Gebiet der Nanotechno-

logie für Firmen und Forschungseinrichtungen an und beteiligt sich an nationa-

len und internationalen Forschungsprogrammen. Der Schwerpunkt der Aktivi-

täten liegt in der Nutzbarmachung neuer Erkenntnisse aus der chemischen und

medizinischen Nanotechnologie sowie der Nanopartikelanalytik, insbesondere

in den Bereichen Kosmetik, Medizintechnik und Energie.

Das Centrum für Angewandte Nanotechnologie (CAN) GmbH

in Hamburg

Analysemethoden werden im Auftrag des Kun-den eingesetzt, um Produkte zu verbessern bzw.neue zu entwickeln. Verfügbare Partikelsystemeumfassen magnetische, elektrisch- und wärme-leitfähige, fluoreszierende, röntgenopake, me-tallische und keramische Nanopartikel. Aus-gewählte Partikelsysteme werden auf Grund-lage eines patentgeschützten Verfahrens imkontinuierlichen Fluss hergestellt und zeichnensich durch eine bisher kommerziell unerreichthohe Reproduzierbarkeit aus. Die Modifizierungder Partikel erfolgt beispielsweise durch einegezielte Ankopplung spezifischer Liganden, or-ganischer Moleküle oder der Einbettung inBlockcopolymervesikel. Zur genauen Charakte-risierung von Nanopartikeln im Kundenauftraghat die CAN GmbH Zugriff auf die wesentlichendafür notwendigen Analysemethoden.

Die Mitarbeiter der CAN GmbH verfügen überErfahrungen bei der Durchführung und Aus-wertung von Analysen mit abbildenden Metho-den (CLSM, AFM, TEM/REM), spektroskopischenMethoden (ATR/FT-IR, NIR, UV-Vis, NMR, ESR,RFA, Impedanzspektroskopie), Streumethoden(SAXS/WAXS, DLS/SLS, XRD) sowie weiterenstrukturanalytisch wichtigen Verfahren wie DSC,TGA, MALDI-TOF, MS, Ellipsometrie und rheolo-gischen Untersuchungen. Auf diese Weise kön-nen für den Kunden gezielt Untersuchungendurchgeführt werden, die Aussagen über denerreichten Entwicklungsstand, beispielsweisezur Qualitätssicherung, erlauben und dieFestlegung der nächsten Schritte zur weiterenProduktentwicklung ermöglichen.

Neben der direkten Auftragsforschung fürIndustriepartner findet das Expertenwissen derMitarbeiter der CAN GmbH Eingang in einerReihe von Drittmittelvorhaben. So werden bei-spielsweise in einem BMBF-Verbundprojektneuartige, leistungsfähige anorganisch/organi-sche Solarzellen auf der Basis unterschiedlichernanoskaliger Funktionseinheiten entwickelt. ImBereich Medizintechnik steht die CAN GmbHeinem Konsortium von 10 Partnern vor, das imRahmen eines Large-Scale Projektes im 7.Rahmenprogramm eine neuartige Methode zurquantitativen Bestimmung der Beta-Zellmassefür eine frühzeitige Diagnose von Diabetes ent-wickeln wird. Hierbei ist die CAN GmbH alsIdeengeber und Antragstellerin verantwortlichfür die Koordination der Forschungsarbeiten. Einweiteres BMBF-Projekt widmet sich derFrüherkennung von Prostatakarzinomen. Dabei

fällt der Entwicklung neuer molekularer Markermit verbesserten Eigenschaften eine großeBedeutung zu, die von der CAN GmbH und demphysikalischen Institut der Universität Hamburgzusammen entwickelt werden.

AUSBLICK

Nach einer im Jahr 2008 vom Fraunhofer-Institut für Produktionstechnologie IPT durch-geführten Evaluation der CAN GmbH hat derSenat der Freien und Hansestadt Hamburg ent-schieden, der CAN GmbH für den Zeitraum2009–2012 weitere 4,4 Mio. Euro für den Ausbauder Aktivitäten zur Verfügung zu stellen. Fürdiesen Zeitraum steht die konsequente Umset-zung von Wissen und Innovationen auf dem Ge-biet der Nanotechnologie in Kundennutzen wei-

terhin im Vordergrund der Geschäftstätigkeitder CAN GmbH.

Als Geschäftsführer stehen der CAN GmbHHerr Prof. Dr. Weller auf der wissenschaftlichenund Herr Dr. Schröder-Oeynhausen auf derkaufmännischen Seite vor.

Abbildung

CANdots Serie A

CdSe/CdS Nanopartikel

101A U S G A B E 2 2 0 0 9

KONTAKT

Dr. Frank Schröder-Oeynhausen (COO/CFO) · GeschäftsführungCentrum für Angewandte Nanotechnologie (CAN) GmbHGrindelallee 117 · D–20146 HamburgTelefon 040-42838-4983 · Telefax 040-42838-5797E-Mail [email protected]

Internet www.can-hamburg.de

Die Nanotechnologie bezeichnet eine Reihe interessanter Anwendungsmöglichkeiten be-kannter chemischer Verbindungen, deren Ei-genschaften sich dramatisch verändern, wenndiese Substanzen Dimensionen im Nanometer-bereich aufweisen, was der Größe vieler syn-thetischer oder biologischer Makromoleküleund Partikel entspricht. Metalle werden zuHalbleitern, die optischen Eigenschaften vonTeilchen variieren mit der Teilchengröße undBiomaterialien wie Knochen oder Perlmutt zeigen überrragende mechanische Eigenschaf-ten – unter anderem aufgrund von hierarchi-schen Bauprinzipien im Nanometerbereich.Um nanotechnologische Anwendungen zu rea-lisieren, ist eine genaue Kenntnis und Kontrolleder Teilchengröße und der Teilchengrößenver-teilung notwendig, bevor durch geeigneteProzessführung oder Syntheseschritte eineOptimierung erfolgen kann. Dies setzt eineaussagefähige und verlässliche Analytik vor-aus.

Eine klassische Technik zur Analyse von Mo-lekülen nanoskopischer Dimensionen (ob syn-

thetischen oder biologischen Ursprungs) sowievon Kolloiden ist die Analytische Ultrazentri-fugation (AUZ). Historisch gesehen wurde unteranderem mit Hilfe dieser Technik der Beweisgeführt, dass Makromoleküle überhaupt alskovalente Moleküle existieren können: ThéSvedberg und seine Mitarbeiter konnten zeigen,dass Hämoglobin eine definierte Molmasse auf-weist und aus mehreren Untereinheiten aufge-baut ist, welche ebenfalls eine einheitlicheMasse aufweisen. Deren Summe entsprichtgenau der Masse des Gesamtmoleküls. DieserDurchbruch war möglich, weil sich die Theorieder Analytischen Ultrazentrifugation direkt vonfundamentalen thermodynamischen Prinzipienherleitet, also ohne Annahmen oder Näherun-gen auskommt. Somit kennzeichnen dieseMethode zwei wesentliche Merkmale:

Die AUZ ist eine fraktionierende Methode,sie liefert Ergebnisse in Form von Vertei-lungen.Die AUZ ist eine Absolutmethode – ihreErgebnisse lassen sich ohne Näherungenoder Kalibration ab initio berechnen.

Q u e l l e : N a n o l y t i c s G m b H

Autoren:

Dr. Kristian Schilling

Dr. Holger Strauss

Nanolytics Gesellschaft für

Kolloidanalytik mbH

Am Mühlenberg 11

14476 Potsdam

Keine Nanotechnologie ohne Nanoanalytik – wie bei anderen Forschungsfeldern

auch wären bahnbrechende Entdeckungen und Produkte ohne eingehende Kennt-

nisse über die physikalischen und chemischen Eigenschaften kaum denkbar.

Gerade für die Kolloidwissenschaft gilt das besondere Merkmal, dass makroskopi-

sche Eigenschaften, seien sie erwünscht oder unerwünscht, häufig direkt mit nano-

skopischen, messbaren Eigenschaften korrelieren. Hohe Popularität genießen

dabei abbildende Methoden wie die Rasterkraftmikroskopie und die Elektronenmi-

kroskopie. Diese Techniken sind auf die kondensierte Phase beschränkt. In der

dispersen Phase findet eine mächtige Analysenmethode Anwendung, die wir in die-

sem Artikel vorstellen möchten: die Analytische Ultrazentrifugation (AUZ).

Nanoanalytik mit Analyti-scher Ultrazentrifugation

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Dies sind auch heute, nach über 90 Jahren, nochdie großen Stärken dieser Technik bei derAnalyse der vielfältigen nanotechnologisch ein-gesetzten Verbindungen.

THEORIE

Das Prinzip der AUZ ist anschaulich und leichtzu verstehen: unter dem Einfluss eines (künst-lichen) Schwerefeldes sedimentieren Partikelund Moleküle; die Geschwindigkeit der Sedi-mentation wird von Masse, Größe, Dichte undForm der Objekte bestimmt. Die Sedimentationist mathematisch leicht zu beschreiben.

In der AUZ wird der Vorgang der Sedimentationbeobachtet: optische Systeme fragen im Fort-gang des Experiments radiale Konzentrations-profile innerhalb der Dispersion ab. Jedes ein-zelne Profil enthält bereits die Information übereine ganze Verteilung; durch die fortgesetzteAufnahme dieser Profile über die Zeit desExperiments wird der Ortsauflösung eine zeitli-che Auflösung hinzugefügt, und man erhält einhohes Maß an Datenredundanz – diese Tatsacheist maßgeblich für die hohe statistische Sicher-heit der Methode.

Um Objekte von geringer Masse innerhalbannehmbarer Zeiträume zur Sedimentation zubringen, muss das Gewicht anhand eines ent-sprechend hohen Schwerefeldes gesteigertwerden; eine AUZ erzeugt bei voller Drehzahlein Schwerefeld, das dem 260.000fachen derErdbeschleunigung entspricht. Während einestypischerweise in der Größenordnung von Stun-den ablaufenden Experiments können hundertevon Scans aufgenommen werden.

Die Auswertung der Daten beginnt mit der Be-rechnung der Sedimentationskoeffizientenvertei-lung. Diese Transformation ist frei von Annahmenund Näherungen und liefert im Ergebnis die In-formation, wie rasch die unterschiedlichen Frak-tionen um eine genormte Strecke sedimentieren.Bereits dieses primäre Messergebnis enthältwesentliche Informationen.

Zur weiteren Auswertung müssen Annahmenüber die Dichte und Form der Partikel einge-bracht werden. Abbildung 1 veranschaulicht,wie große Partikel rascher sedimentieren alskleine, dichtere Partikel rascher als wenigerdichte, kompakte Kugeln rascher als elongiertePartikel. Auch diese Interpretationen sind ma-thematisch leicht zu fassen.

Neben der Sedimentation unterliegen die Par-tikel auch der Diffusion. Da die Diffusion mit derTeilchengröße in Verbindung steht – ohne dassdie Teilchendichte eingeht – und die Sedimen-tation ebenfalls – wobei die Dichte sehr wohl ein-geht – können beide Transportprozesse in derglobalen Datenauswertung zu einer vollständi-gen Beschreibung der Partikel verknüpft werden.

EXPERIMENTELLE DURCHFÜHRUNG

Zur Beobachtung der Sedimentation steht eineganze Anzahl von Detektionsverfahren zur Ver-fügung, hierzu gehören die Absorption, dieInterferenz, die Fluoreszenz. Ebenso existierteine ganze Bandbreite von Küvetten, welche derVielfalt untersuchbarer Systeme gerecht wird.

Weiterhin gibt es eine ganze Reihe von Experi-menten, aus welchen in Hinblick auf die ge-wünschte Information (Größe, Masse, Dichte)gewählt werden kann. Am gängigsten ist dasSedimentationsgeschwindigkeitsexperiment, beiwelchem die Partikel möglichst rasch imSchwerefeld sedimentieren; die Geschwindigkeitder Sedimentation wird dann weiter ausgewertet.

Von einem Sedimentationsgleichgewichtsexperi-ment spricht man, wenn zeitlich keine Kon-zentrationsveränderung mehr messbar ist undsich eine makroskopisch konstante Konzen-trationsverteilung eingestellt hat. Die Steilheitdes entstandenen Gradienten ist direkt undohne weitere Annahmen der auftriebskorrigier-ten Molmasse proportional. Somit dient diesesExperiment der sehr präzisen absoluten Mol-massenbestimmung (weniger als 1 % relativerFehler sind möglich) von z. B. Mizellen oder

Abbildung 1

Die Sedimentationsgeschwindig-

keit eines Partikels enthält

Information über dessen Größe,

Dichte und Form.

103A U S G A B E 2 2 0 0 9

supramolekularen Klustern direkt in Lösung. Dasich das System über den gesamten Bereich imthermodynamischen Gleichgewicht befindet, sindauch reversible Assoziationsvorgänge sehr gutund eindeutig zu beschreiben. Wird dem Lösungs-mittel in erheblicher Menge (bis zu 50 % m/m)eine niedermolekulare Komponente (Sucrose,Cäsiumchlorid oder Nycodenz) zugesetzt, stelltder entstehende Konzentrationsgradient dieserKomponente einen Dichtegradienten dar, wel-cher eine hochpräzise Dichtebestimmung undAuftrennung einer weiteren Komponente er-möglicht. Die Auftrennung ist sensitiv genug, umisotopenangereicherte DNA (14N/15N) [1] oderenantiomerenreine Kristalle eines Racemats zutrennen [2]. Die Methode kann auch präparativgenutzt werden.

Die AUZ bietet damit dem Experimentator einweites Feld an Möglichkeiten, um die unter-schiedlichsten Systeme und Fragestellungen zubearbeiten.

ANWENDUNGSBEISPIELE

Hochauflösende

Teilchengrößenverteilungen

Ein beeindruckendes Beispiel für die hervor-ragende Auflösung der Partikelgrößenvertei-lungen, welche sich mit der Analytischen Ultra-zentrifugation erreichen lassen, ist für Platin-Nanopartikel in Abbildung 2 gezeigt [3]. Es wirddeutlich, dass mehrere gut aufgelöste Parti-kelfraktionen existieren, deren Durchmessersich nur um ca. 1Å unterscheiden. Die gemes-senen Signalintensitäten für jede einzelne Par-tikelfraktion sind dabei den jeweiligen Massen-anteilen proportional. Mit der erreichbarenAuflösung ist die Analytische Ultrazentrifu-gation allen anderen bekannten Methoden derGrößenbestimmung überlegen, insbesondereim Hinblick auf den Bereich der für dieNanotechnologie besonders relevanten Teilchen(�100 nm). Aufgrund der massenproportiona-len Quantifizierbarkeit der Anteile stellt sie einewertvolle Technik u. a. zur Aufklärung von Kris-tallisationsprozessen oder der Optimierung vonHerstellungsprozessen dar.

Partikeldichteverteilungen

Durch vergleichende Messung in Lösemittelnunterschiedlicher Dichte kann mittels AUZneben der Teilchengrößenverteilung auch eineTeilchendichteverteilung erhalten werden – dieAUZ ist die einzige Messmethode, welche Dich-ten in Form einer Verteilung bestimmen kann.Ein Anwendungsbeispiel zeigt Abbildung 3: hierwurde ein Polymer-Latex-Copolymerisat in Was-ser und Schwerem Wasser gemessen. Im Er-gebnis ist zu erkennen, dass sich zwei Produkteunterschiedlicher chemischer Zusammenset-zung gebildet haben – eine wichtige Informa-tion, wenn nach der Einheitlichkeit einer chemi-schen Umsetzung gefragt wird.

Die Dichte kann als sehr empfindliches Kri-terium für die chemische Zusammensetzungvon Polymeren verwendet werden. In Dichte-gradienten können Gemische von etlichen Kom-ponenten anhand ihrer Dichten fraktioniert undidentifiziert werden.

A U S G A B E 2 2 0 0 9104

Abbildung 2

Hochauflösende Teilchen-

größenverteilung am Beispiel von

Platinkolloiden. Wiedergabe der

Abbildung mit freundlicher Ge-

nehmigung von Springer

Science+Business Media [3].

Abbildung 3

Bimodale Teilchengrößen- und

Dichteverteilung einer Polymer-

latex-Dispersion aus vergleichen-

der Messung in H2O und D2O.

VERGLEICH MIT ANDEREN METHODEN

Keine Methode kann ein vollständiges Bild nano-skopischer Objekte liefern, und der Einsatz meh-rerer Messmethoden – basierend auf verschie-denen physikalischen Prinzipien – ist für eineumfassende Beschreibung notwendig. In diesemAbschnitt möchten wir alternative Methoden derGrößenbestimmung mit der AUZ vergleichen. Fürviele Anwendungen ergänzen sich eine oder meh-rere Methoden aufgrund verschiedener Mess-prinzipien zu einem komplementären Bild.

Eine vielfach eingesetzte Methode zur routine-mäßigen Messung von Partikelgrößen disper-gierter Systeme ist die Dynamische Lichtstreu-ung, auch Photonenkorrelationsspektroskopiegenannt (DLS bzw. PCS). Einzelne Messungensind schnell und unkompliziert durchführbar,und verschiedene Hersteller bieten umfassen-des Zubehör an, mit welchem Messungen alsmedium-throughput z. B. in 96 well plates mög-lich sind. In Kombination mit einem Sedi-mentationskoeffizienten erhält man aus demmittels DLS gemessenen Diffusionskoeffizien-ten eine absolute Molmasse.

Die verschiedenen elektronen- oder kraftmikro-skopischen Techniken erlauben eine Messungder Teilchengröße und liefern zugleich Infor-mationen zur Morphologie der untersuchtenTeilchen und deren Eigenschaften, wie z. B. derVerformbarkeit. Mit erhöhtem experimentellenAufwand können auch Messungen unter Be-dingungen vorgenommen werden, welche derdispergierten Phase nahe kommen (Cryo-EM).

Die Feldflussfraktionierung (FFF) ist eine frak-tionierende Methode, die in Kombination miteinem größensensitiven Detektor (z. B. DLS) gutaufgelöste Teilchengrößenverteilungen liefert.Sie wird aufgrund ihrer guten Reproduzier-barkeit und minimalen Interaktionen mit einemMatrixmaterial oft für die Routineanalytik be-sonders von Biomolekülen herangezogen.

Die kapillar-hydrodynamische Fraktionierung(CHDF) ist eine preiswerte, auf wässrige Sys-teme beschränkte Methode, welche anhandeiner Kalibration die Geschwindigkeit, mit wel-cher Partikel durch eine Kapillare gespült wer-den, mit deren Größe korreliert. Dabei ist einspezieller Elektrolyt zu verwenden.

Die AUZ stellt eine hervorragende Ergänzung zudiesen Techniken dar. Als Absolutmethode

105A U S G A B E 2 2 0 0 9

[1] Meselson M. & Stahl F. W. (1958) The Replication of DNA in Escherichia Coli.PNAS 44: 671-682

[2] Mastai Y., Völkel A. & Cölfen H. (2008) Separation of racemate from excess enantiomer of chiral nonracemic compounds via density gradient ultracentrifugation. JACS 130: 2426-2427

[3] Cölfen, H. & Pauck T. (1997) Determination of particle size distributions with angström resolution, Colloid. Polym. Sci. 275: 175-180

Mächtle W., Börger L., Analytical Ultracentrifugation of Polymers andNanoparticles, Springer Verlag, 2006

www.kolloidanalytik.de

kommt sie ohne Annahmen über die Probe aus,es treten keine Wechselwirkungen mit einerstationären Phase auf – die Bildung von Mess-artefakten ist dadurch ausgeschlossen. Die ver-schiedenen physikalischen Prinzipien, welchedie Sedimentation eines dispergierten oder ge-lösten Stoffes beeinflussen, können in einerVielzahl von Experimenten genutzt werden, umeine detaillierte Beschreibung des Analyten zuerhalten. Die gewonnenen Partikelgrößenver-teilungen sind in hohem Maße signifikant, da dieGesamtzahl aller in der Probe erhaltenen Mo-leküle erfasst wird. In Anbetracht des messba-ren Größenbereichs (0.1 – 3000 nm) ist die Me-thode daher besonders für polydisperse Probenattraktiv. Es können alle optisch transparentenLösemittel zum Einsatz kommen, der Aufwandfür eine Methodenentwicklung ist minimal undunabhängig von der Beschaffenheit der Probe.Diese Eigenschaften machen die AUZ zu einerder mächtigsten Methoden einer zeitgemäßenNanoanalytik.

AUTOREN

Alexander Bracht

Markus Lämmer

Zur nachhaltigen Sicherung ihrer internationa-len Wettbewerbsfähigkeit und Schaffung hoch-qualifizierter Arbeitsplätze können künftigdeutsche Unternehmen in nahezu allen indus-triellen Bereichen auf die Anwendung undBeherrschung der Nanotechnologien nicht ver-zichten. „Nano- und Materialtechnologie-An-bieter haben eine Schlüsselrolle bei Produkt-und Verfahrensinnovationen in vielen klassi-schen Branchen“, so Sebastian Hummel, Refe-rent im Hessischen Wirtschaftsministerium.Deshalb sei es aus wirtschaftspolitischer Sichtentscheidend, für einen raschen Transfer derErkenntnisse von den Hochschulen in dieAnwendungsbranchen zu sorgen. Wenn die inDeutschland erzielten und zum Teil mit öffent-lichen Mitteln bezuschussten Forschungs-ergebnisse im Ausland kommerzialisiertwürden, erfolge weder ein Rückfluss des ein-


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Hessen bringt Nanotechnologie aufden Punkt

Hessen zählt mit über 120 Nanotechnologie-Unternehmen und rund 70 Arbeits-

gruppen von Nanowissenschaftlern zu den führenden Nanotech-Standorten in

Europa. Etwa 10 Prozent aller europäischen Nanofirmen und weit über 200

Unternehmen aus dem Bereich der Material- und Werkstofftechnologien sind im

Rhein-Main-Gebiet sowie den angrenzenden Regionen Hessens zuhause: Fir-

men wie Evonik, Röhm, Heraeus, Merck, Rittal, Caparol, Omicron, Fresenius,

Pfeiffer Vacuum, Clouth, NaWoTec, Cabot Nanogel, Aquanova und Geohumus, um

nur einige Namen zu nennen. Damit bildet Hessen das Zentrum eines deutschen

Spitzenclusters im Bereich Nano- und Materialtechnologien.

Deutscher Spitzencluster im Rhein-Main-Gebiet

Nano-Landesinitiative

Abbildung

Bundesaußenminister Frank

Walter Steinmeier besucht den

Hessen-Stand auf der Messe

nano tech 2006 in Tokio. · Foto:

Uni Kassel CINSaT

gesetzten Kapitals noch die Anwendungsent-wicklung. Auch im Nanotechnologiesegmentwürde dann die Entwicklungspipeline – so wiein anderen Technologiefeldern in Deutschlandleider oft geschehen – schnell austrocknen.

Um das Potenzial der Nanotechnologie zu akti-vieren, hat die Hessische Landesregierung2005 die Aktionslinie Hessen-Nanotech insLeben gerufen. Sie ist die zentrale Plattform fürdie Technologie- und Standortmarketing-Ak-tivitäten Hessens im Bereich der Nanotechno-logien.

HESSEN-NANOTECH:

NETZWERKKNOTEN FÜR DIE NANO-

TECHNOLOGIEN IN HESSEN

„Der notwendige Nanotechnologie-Transfer-Prozess beginnt in den Hochschulen“, erklärtAlexander Bracht, Leiter der Aktionslinie Hes-sen-Nanotech. Nur wenn bereits dort Kräfteund Kompetenzen gebündelt würden, ließensich Stärken herausbilden und Freiräume fürkonkrete Forschungs- und Entwicklungs-projekte mit Anwendungsbezug schaffen. Des-halb wurde in Hessen bereits 2004 mit derGründung des NanoNetzwerks Hessen

(NNH), einem Zusammenschluss aller 10hessischen Hochschulen auf dem Gebiet derNanowissenschaften und Nanotechnologien,erreicht. Mit dem NNH sollen Kooperationenzwischen den Hochschulen gefördert und Res-sourcen optimal genutzt werden. Gleichzeitigschafft das NNH Zugänge für die Wirtschaft.

Ein wichtiges Instrument hierfür ist der„Kompetenz- und Infrastrukturatlas Nanotech-nologien Hessen“, den die Aktionslinie Hessen-Nanotech gemeinsam mit dem NNH erstellthat. Er bietet eine Übersicht über die Hoch-schul- und Forschungseinrichtungen sowiezahlreiche Unternehmen, die sich in Hessenmit Nanotechnologien beschäftigen.

Hessen-Nanotech ist häufig die erste Anlauf-stelle für Unternehmen, die Kontakte zu ande-ren Firmen und zur Nanowissenschaft suchen.Die Aktionslinie unterstützt die Anbahnung vonNanotechnologie-Projekten zwischen Hoch-schulen und Unternehmen und zwischen Un-ternehmen und anderen Unternehmen. Überdie umfangreichen Netzwerkkontakte könnenaber nicht nur geeignete Partner gefundenwerden. Durch die Schnittstellen zur Förder-beratung und den Einrichtungen, die öffentlicheund private Mittel für Unternehmensgründun-gen, -entwicklungen oder Innovationsprojektezur Verfügung stellen, ist eine umfassende Be-gleitung der Unternehmen möglich. Davon pro-fitieren gerade junge sowie kleine und mittlereUnternehmen. Aber auch Großunternehmen,die zum Beispiel einen neuen Standort suchen,finden bei Hessen-Nanotech Ansprechpartner.

Über spezielle hessische Fördermöglichkeitenfür Modell- und Pilotprojekte sowie die Unter-stützung bei der Akquisition Projektmitteln desBundes konnten in den letzten Jahren zahlrei-che wichtige Nanotechnologie-Vorhaben reali-siert werden, deren Ergebnisse nun ihren Wegin die Produktion finden. Eine gemeinsam mitder Europäischen Union durchgeführte Nano-Förderinitiative mit einem Projekt- und einemUnternehmensfinanzierungsteil (NanoHE undHessenNanoMatTech) lieferte dabei wichtigeImpulse für die zielgerichtete Ausgestaltungvon Förderinstrumenten für den Mittelstand,die jetzt in Hessen zum Einsatz kommen.

MEHRWERT SCHAFFEN DURCH

INFORMATION

Ein besonderer Schwerpunkt der AktionslinieHessen-Nanotech bildet die Bündelung undVermittlung von Informationen über die Mög-lichkeiten der Nanotechnologien und dieAnwendungspotenziale in den einzelnen Bran-chen sowie relevante Aspekte des Nanotechno-logie-Einsatzes. Dabei ist Hessen vor allem inden wichtigen Anwendungsbranchen der Nano-

Abbildung

Die Aktionslinie Hessen-Nano-

tech wirbt auf Messen für den

Nanotechnologiestandort Hessen

und Deutschland. · Foto: Michael

Jaugstetter

107A U S G A B E 2 2 0 0 9

Abbildung

Seit 2004 zählt das Nanotechno-

logieforum Hessen zu den

bedeutenden Nanotechnologie-

veranstaltungen Deutschlands. ·

Foto: Messe Frankfurt Exhibition,

Petra Wetzel

und Materialtechnologie ausgezeichnet aufge-stellt. Organisiert von der Aktionslinie Hessen-Nanotech und in Kooperation mit Partnern wieden Industrie- und Handelskammern und derDechema Gesellschaft für Chemische Techno-logie und Biotechnologie e.V., werden jedesJahr zahlreiche Fachkongresse, Seminare undWorkshops angeboten. Neben dem alljähr-lichen Kongresshöhepunkt, dem Nanotechno-

logieforum Hessen, wurden 2008 Themenwie NanoImprint-Technologie für die Optik,Template-Herstellung und optische Anwen-dungen (NanoImprint), Nanotechnologien alsImpulsgeber für präventiven Produkt- undDokumentenschutz (NanoSecurity), Nano- undMaterialtechnologien für die Energieversor-gung der Zukunft (NanoEnergie) sowie Bio-chemisch und chemisch aktive Oberflächen(NanoSurface) behandelt.

Dokumentiert wird dies in der Schriftenreihe

Hessen-Nanotech, die bereits 10 Bändeumfasst:

Band 1: Einsatz von Nanotechnologie inder UmwelttechnologieBand 2: Nanomedizin – Innovations-potenziale für Medizintechnik und Pharma-zeutische IndustrieBand 3: Nanotechnologie im AutoBand 4: NanoKommunikation – Leitfadenzur Kommunikation von Chancen undRisiken der Nanotechnologien Supplement zum Leitfaden NanoKommu-nikation – Innovationsfördernde Good-Practice-Ansätze zum verantwortlichenUmgang mit NanomaterialienBand 5: Nanotechnologien für die optischeIndustrie

Band 6: NanoProduktion – Nanotechno-logien im ProduktionsprozessBand 7: Einsatz von Nanotechnologien inArchitektur und BauwesenBand 8: NanoNormung – Normung imBereich der Nanotechnologien Band 9: Einsatz von Nanotechnologien imEnergiesektorBand 10: Werkstoffinnovationen ausHessen – Potenziale für Unternehmen

Weitere Bände sowie englische Übersetzungeneiniger Broschüren sind in Vorbereitung.

NACHHALTIGES HANDELN UND

GREEN NANOTECH

Hessen-Nanotech leistet mit dieser Schriften-reihe einen wichtigen Beitrag, die Chancen undPotenziale der Nanotechnologien in Deutsch-

land und darüber hinaus bekannt zu machen.„Dies geschieht nie ohne Blick auf die mög-lichen Risiken, die ein Einsatz von bestimmtenNanopartikeln bergen kann“, betont Bracht.

Über die Informationsplattform NanoRisi-

ken – Veranwortlicher Umgang mit Nanomate-rialien – bietet Hessen-Nanotech Unternehmenund Interessierten einen Zugang zur Nano-Risiko-Diskussion und den relevanten For-schungsarbeiten. Hessen fördert so gezielt denverantwortungsbewussten Einsatz der Nano-technologien, z. B. in einer Form, bei der dieVerwendung freier Nanopartikel vermieden undstattdessen in flüssigem Medium oder mittelsspezieller Technologien weiterverarbeitet wer-den. Hierzu wurde unlängst speziell für den inHessen wichtigen Bereich der Lacke- und


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Farben-Industrie ein Projekt mit dem Öko-Institut in Darmstadt abgeschlossen.

Um die gesellschaftliche Akzeptanz und Nach-haltigkeit der Nanotechnologie sicherzustellen,fördert die Aktionslinie Hessen-Nanotech auchmit entsprechenden Themenschwerpunktenauf ihren Veranstaltungen den Dialogprozessmit Stakeholdern. So wurde beispielsweise mitder im Juni 2008 gemeinsam mit der Dechemadurchgeführten Tagung „NanoSilber – Einsatz-möglichkeiten, Nutzen und Wirkmechanismenantimikrobieller Anwendungen“ ein wichtigerImpuls zur Betrachtung der Nach-haltigkeitder NanoSilber-Technologie gegeben. Auch dieVerknüpfung von Umwelttechnologie undNanotechnologie gehört schon beinahe tradi-tionell zu den besonderen Schwerpunkten inHessen und erfährt unter dem Begriff GrüneNanotechnologie nun breite Aufmerksamkeit.

DURCH NACHWUCHSFÖRDERUNG

DEM FACHKRÄFTEMANGEL ENTGEGEN-

WIRKEN

Ein weiteres Tätigkeitsfeld der AktionslinieHessen-Nanotech ist die Nachwuchsförderung.Deutschland zählt auf dem Gebiet der Nano-technologie noch zu den führenden Nationen.Doch diese herausragende Position wird durchden Mangel an Fachkräften, der gerade auf den

hochtechnischen Feldern sich in Zukunft nochverstärken wird, gefährdet. 2008 hat Hessen-Nanotech daher im Rahmen eines Wettbewerbs115 Nanotechnologie-Experimentierkoffer

an Schulen in Hessen verteilt. Mit Aktionenwie diesen soll bei jungen Menschen die Be-geisterung für Naturwissenschaften und Tech-nik geweckt, auf Chancen und Herausforderun-gen der Nanotechnologie hingewiesen unddamit dem drohenden Fachkräftemangel intechnischen Bereichen frühzeitig entgegen-gewirkt werden.

Abbildung

Die Broschüren der Aktionslinie

Hessen-Nanotech können

kostenlos heruntergeladen und

bestellt werden unter

www.hessen-nanotech.de/

veroeffentlichungen.

Abbildung

Im Rahmen eines hessenweiten

Wettbewerbs 2008 erhielten

115 Schulen einen eigens

entwickelten Nanotechnologie-

Experimentierkoffer für

Fachlehrer. · Foto: IPW, Stefan

Wildhirt

109A U S G A B E 2 2 0 0 9

Innovationspotenziale und Fachkräftebedarfstanden daher auch im Mittelpunkt des nun-mehr 5. Nanotechnologieforums Hessen, dasdie Aktionslinie Hessen-Nanotech am 13.November begleitend zur Nanotech-MesseNanoSolutions in Frankfurt veranstaltete.

Um die Unternehmen über die verschiedenenTermine und Nanotechnologie-Veranstaltung inHessen zu informieren, betreibt die AktionslinieHessen-Nanotech neben ihrer eigenen Home-page www.hessen-nanotech.de auch dasgemeinsame hessische Internetportal vonWirtschaft und Wissenschaft für die Nanotech-nologien, www.nanoportal-hessen.de.

NANOTECHNOLOGIE – DIE WEGE FÜHREN

NACH HESSEN

Die überaus positive Resonanz auf die hessi-schen Informations- und Förderangebote zeigt:Immer mehr Betriebe interessiert, welche kon-

kreten Möglichkeiten und Vorteile die Nano-technologien für die eigenen Produkte undProzesse bieten. Alexander Bracht, Leiter derAktionslinie Hessen-Nanotech: „Kurze Wege,Top-Know-how, leichte Zugänge sowie exzel-lente Netzwerk- und Infrastrukturen für eineschnelle Kommerzialisierung von Entwicklun-gen im Bereich der Nano- und Materialtechno-logien bestätigen unsere Botschaft: An Hessenführt kein Weg vorbei.“

KONTAKT

Hessen-Nanotechc/o HA Hessen Agentur GmbHAbraham-Lincoln-Straße 38–42D–65189 WiesbadenAlexander Bracht (Leiter), Markus LämmerTelefon 0611 / 774-8614Telefax 0611 / 774-8620Internet www.hessen-nanotech.de

[email protected]


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Abbildung 1

Hochauflösende Prüfung in der

Aufbau- und Verbindungstechnik

mit Röntgenmikrotomographie


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nanoeva®

Die Entwicklung in der Nanotechnologie, Mikrosystemtechnik und Halbleiter-

technik schreitet stetig voran und begründet neue Anforderungen an die Weiter-

verarbeitung und Nutzbarmachung in Produkten für den Endnutzer. Der

wirtschaftliche Erfolg solcher Systeme hängt entscheidend von der schnellen

Überführung vom Labormuster in eine stabile und fehlerfreie Serienfertigung

ab.

The Center for Non-destructive Nano Evaluation

Dafür sind Prüfmethoden zur zeitnahen Be-urteilung von komplexen Produkten und Ferti-gungsprozessen unerlässlich. Beispielsweisesteigt mit wachsendem Integrationsgrad in derElektronik, z.B. der 3-D-Integration in der Auf-bau- und Verbindungstechnik (AVT, Abb. 1), dieNachfrage nach Methoden für eine zerstö-rungsfreie Prüfung im Volumen mit höchsterAuflösung (<1 μm Voxel).

Die heute verfügbaren Methoden der zerstö-rungsfreien Prüfung (ZfP) für die AVT der Elek-tronik überdecken einen sehr weiten Bereich(siehe Abb. 2), bieten jedoch keine praktikablenLösungen im Auflösungsbereich zwischen eini-gen hundert Nanometern und wenigen Mikro-metern bei entsprechend großem Bildfeld. Die-ser Bereich wird für kommende Technologiender AVT immer wichtiger, weil durch die zuneh-

mende Miniaturisierung der Kontakte der elek-tronischen Bauelemente Gefügestörungen undDefekte gerade in diesem Größenbereich zu er-warten sind.

Solche Defekte mit neuen und weiterentwickel-ten Methoden kostengünstig und industrietaug-lich zu finden und damit den „weißen Fleck“ derZfP zu beseitigen, ist die vordringliche Aufgabe

von nanoeva®. Das Z e n t r u m f ü r z e r -

störungsfreie Prüfverfahren für die Na-

no-Aufbau- und Verbindungstechnik –

nanoeva wurde am 1. März 2007 als Ge-meinschaftseinrichtung des Fraunhofer-Insti-tuts für Zerstörungsfreie Prüfverfahren, Insti-tutsteil Dresden (IZFP-D), und des Zentrumsfür mikrotechnische Produktion der Techni-schen Universität Dresden (ZμP) gegründet.

Diese Kooperation bietet Plattformen für For-schung und Entwicklung, Dienstleistung sowieAus- und Weiterbildung auf dem Gebiet der zer-störungsfreien Prüfverfahren für die Aufbau-und Verbindungstechnik (AVT) der Elektronikund Mikrosystemtechnik. Sie besteht aus dreiSäulen: einem Entwicklungs- und Applikations-zentrum zur Evaluierung neuer Methoden undderen Umsetzung in Prototypen, einem Dienst-leistungszentrum zur Durchführung von Unter-suchungen für die Industrie und Forschung an

modernsten Instrumenten und einem Weiter-bildungszentrum für die technische und akade-mische Ausbildung von Spezialisten für zer-störungsfreie Prüfverfahren in der Industrie.Für diese Aufgaben steht ein sehr gut ausge-statteter Gerätepark zur Röntgenmikroskopie,Röntgentomographie, Röntgendiffraktometrie,Ultraschallmikroskopie, Thermographie undthermischer Mikroskopie, zu optischen Mess-methoden, Ultraschallnahfeldmikroskopie, op-tischen Nahfeldtechniken und zur geometri-schen Oberflächencharakterisierung zurVerfügung.

In Lehrveranstaltungen an der TechnischenUniversität Dresden zu den Grundlagen derMikro- und Nano-ZfP und zu den Themen Auf-

bau und Verbindungstechnik, Qualitätssiche-rung, Visuelle Inspektion, Hybridtechnik,Lasertechnik, Statistische Methoden der Ver-fahrensoptimierung und Elektroniktechnologiekönnen sich die Studenten über Ergebnisse vonnanoeva® informieren. Mit der NationalenTechnischen Universität der Ukraine „KiewerPolytechnisches Institut“ und dem Stepanov-Institut der Weißrussischen Akademie der Wis-senschaften Minsk bestehen internationale Ko-operationen.

ANSPRECHPARTNER

Leitung

Prof. Dr.-Ing. habil. K.-J. Wolter (TU Dresden, IAVT)Prof. Dr.-Ing. habil. N. Meyendorf (Fraunhofer IZFP Dresden)

Koordination

Dr.-Ing. Martin Oppermann (TU Dresden, IAVT)Dr.-Ing. Henning Heuer (Fraunhofer IZFP Dresden)

Telefon +49 (0) 3 51 / 888 15-501Telefax +49 (0) 3 51 / 888 15-509Internet www.nanoeva.de


NANOEVA

c/o Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie PrüfverfahrenMaria-Reiche-Straße 2D–01109 Dresden

113A U S G A B E 2 2 0 0 9

Abbildung 2

ZfP-Methoden zur Prüfung drei-

dimensionaler integrierter

elektronischer Systeme und ihre

Einordnung

AUTOREN

Martin Monzel

Christoph Schreyer

Um diese Fragen zu diskutieren, haben dieNetzwerke NanoBioNet, AGeNT-D und AW-

NET am 29./30. Oktober 2008 zum „RundenTisch: Nichtakademische Aus- und Weiter-bildung in Nano- und Mikrotechnologie“ nachMainz geladen. Teilgenommen haben 35 Ex-perten aus ganz Deutschland – Vertreter vonBildungsanbietern, der Industrie, von Kam-mern und Bundeseinrichtungen.

Martin Monzel, Geschäftsführer des NanoBio-Net, erklärte: „Das Thema Fachkräftemangelist inzwischen in aller Munde. Die Hochtechno-logiebranchen sind besonders stark betroffen,und dazu zählt auch die Nanotechnologie. Alsomüssen wir jetzt handeln. Und wir können vonden Erfahrungen der Mikrotechnologie profitie-ren. Denn dort sind die Aus- und Weiter-bildungsstrukturen seit langem installiert.“

Auch die Bildungspolitik ist gefordert – aufBundes- und Landesebene. Die Herausforde-rungen sind klar: Die Inhalte der klassischenAusbildungsberufe müssen laufend den aktuel-len Erfordernissen angepasst werden. Weiter-bildungskonzepte müssen überarbeitet wer-den. Und besonders wichtig: Das Bildungs-

system muss durchlässiger werden, so dassetwa ein Facharbeiter einfacher ein Hochschul-studium aufnehmen kann.

WIRD EIN NEUES BERUFSBILD

FÜR NANOTECHNOLOGIE GEBRAUCHT?

Die Bildungsexperten sprachen sich einhelliggegen eine neue Fachausbildung zur Nano-technologie aus. Derzeit bestünde daran keinBedarf, da das Gesamtspektrum nanotechnolo-gischer Themen nicht von einer einzelnen Aus-bildung abgedeckt werden könne. Vielmehrsollten bestehende Ausbildungsberufe erwei-tert oder als Grundlage genutzt werden.

WIE HOCH IST DER BEDARF

AN FACHKRÄFTEN?

Durch das ISW in Halle wurden zwischen Ja-nuar und März 2008 194 von 567 ermitteltenNanotechnologie-Unternehmen u. a. nachihrem Personalbedarf befragt. Demanch benö-tigen die Unternehmen bis 2010 rund 8.600neue Beschäftige, darunter etwa ein DrittelFacharbeiter und Techniker. Addiert man denBedarf von Forschungs- und Bildungseinrich-


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BerufsfeldNanotechnologie

Der Fachkräftemangel in Hochtechnologiefeldern stellt eine enorme Heraus-

forderung für den Wirtschaftsstandort Deutschland dar. Wie ist dieser Situation

zu begegnen? Welche Qualifikationsprofile erwartet die Industrie? Was kann

man in Aus- und Weiterbildung tun, um dem Mangel entgegen zu wirken?

Expertenrunde beschreibt

Wege aus der Fachkräftemisere in Hochtechnologiefeldern

tungen, darf man von einem nationalen Bedarfvon ca. 3.000 zusätzlichen Facharbeitern bis2010 im Bereich Nanotechnologie ausgehen.

Durch Ausbildung allein wird dieser Bedarfnicht zu decken sein. Das macht ein Blick aufdie zu erwarteten Absolventenzahlen relevanterFacharbeitergänge deutlich.

AUS WELCHEN BERUFEN KÖNNTEN

FACHKRÄFTE FÜR DIE

NANOTECHNOLOGIE KOMMEN?

Die Teilnehmer des Runden Tisches ermittelteneine Reihe von Ausbildungsberufen, die für dieNanotechnologie relevant sind, darunter denChemielaboranten/Chemikanten/CTA und denMikrotechnologen. Das wurde in der Diskussionum die Fachkompetenzen deutlich, die eine„Fachkraft Nanotechnologie“ bräuchte. Dabeistellte sich heraus, dass viele davon in der Aus-bildung zum Mikrotechnologen erworben wer-den. Auch durch die Ausbildung zum CTA oderChemielaboranten werden schon einige derrelevanten Inhalte abgedeckt.

Es wurde aber auch klar, dass ganz bestimmteKompetenzprofile, wie sie beispielsweise vonUnternehmen der chemischen Nanotechno-logie erstellt werden, durch keinen der Aus-bildungsberufe erfüllt werden. Dazu zählenetwa Kenntnisse in relevanten Feldern wieKolloidchemie, Applikationstechnologie oderSynthese von Nanopartikeln.

WIE KÖNNEN DIE BENÖTIGTEN ZU-

SÄTZLICHEN KOMPETENZEN ERWORBEN

WERDEN?

Es bieten sich folgende Möglichkeiten an, neueLehrinhalte zu vermitteln:

Flexibilisierung bestehender Ausbildungen(neue Inhalte)Erweiterung durch WahlpflichtbausteineVerbundausbildungProzessorientierte WeiterbildungÜberregionale Kooperation der Bildungs-träger (Erhöhung der kritischen Masse)Lernort Betrieb/Inhouse-Schulungen/On the job

Ein Ansatz der Akademie Münden Private Be-rufsfachschulen gGmbH zeigt, wie nanotechno-

logische Inhalte in eine bestehende CTA-Aus-bildung integriert werden können. Dort bietetman ein Pflichtmodul an, das über 240 Stundenläuft, die sich in 80 Stunden Theorie und 160Stunden Praxis aufteilen. Ein Wahlpflichtfachist bereits im Ordnungsrahmen vorgesehen,dieser muss also für die neuen Inhalte nichtgeändert werden.

UND WIE GEHT ES WEITER?

Wenn bestimmte Kenntnisse zwar gewünscht,aber durch die Erstausbildung nicht vermitteltwerden, dann müssen sie zusätzlich durchWeiterbildung erworben werden. Zukünftig zuklären ist die Frage, ob eine Behandlung dergenannten Bausteine in einer Aufstiegsqualifi-zierung oder eine Integration der Bausteine inbestehende Ausbildungen Ziel führend ist.

Zur Klärung dieser Fragen haben die Teilneh-mer des Runden Tisches einen Arbeitskreisunter der Moderation von NanoBioNet gegrün-det, der 2009 eine Lösung erarbeiten soll.

Fest steht, dass der Dialog zwischen Nano- undMikrotechnologen zukünftig weitergeführtwird.

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AUTOREN

Prof. Dr. Jochen Feldmann

Prof. Dr. Gerhard Abstreiter


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Nano zwischen Medizin und ITFunktionale Nanosysteme für ein breites Anwendungsspektrum von der Infor-

mationstechnologie bis zur Medizin stehen im Mittelpunkt der Arbeit des Ex-

zellenzclusters Nanosystems Initiative Munich (NIM). Außer der hochkarätigen

Wissenschaft haben sich die Forscherinnen und Forscher aus dem Münchner

Raum besonders der Förderung des wissenschaftlichen Nachwuchses, der Öf-

fentlichkeitsarbeit in Sachen Nano und der Erhöhung des Frauenanteils in den

Nanowissenschaften verschrieben.

GEBÜNDELTE NANOFORSCHUNG

IM RAUM MÜNCHEN

NIM ist eines der Forschungs-Cluster, die 2006im Rahmen der bundesweiten Exzellenz-Initia-tive zur Förderung ausgewählt wurden. NIM

bündelt die Forschung von Nano-Wissenschaft-lerinnen und Wissenschaftlern der Fachrich-tungen Physik, Biophysik, PhysikalischeChemie, Biochemie, Pharmazie, Biologie, Elek-trotechnik und Medizin in 60 Arbeitsgruppen an

verschiedenen Instituten im Münchner Raum.An NIM sind außer den beiden großen Münch-ner Universitäten LMU und TUM auch die Hoch-schule München, die Universität Augsburg, dasWalther-Meißner-Institut für Tieftemperatur-forschung sowie die Max-Planck-Institute fürBiochemie und für Quantenoptik beteiligt. NIMsetzt die finanziellen Mittel zum Aufbau neuerGruppen, für die Anschaffung von Geräten, fürdie Förderung des wissenschaftlichen Nach-wuchses, zur Gleichstellung von Frauen und fürdie Öffentlichkeitsarbeit ein.

FUNKTIONALE NANOSYSTEME FÜR

IT UND MEDIZIN

Der thematische Schwerpunkt lässt sich be-reits am Namen des Clusters ablesen: es gehtum Nanosysteme. Denn obwohl in den vergan-genen Jahren viele einzelne Bauelemente aufder Nanometer-Skala realisiert werden konn-ten, ist derzeit nur wenig über deren Integrationin funktionale Systeme bekannt. Die über-geordnete Vision der NIM-Forschung ist daherdie Herstellung, Erforschung, Entwicklung undKontrolle einer breiten Palette künstlicher undmultifunktionaler Nanosysteme für potentielleAnwendungen in der Informationstechnologieund im medizinischen Bereich sowie einerKombination aus beiden.

NIM verbindet zehn interdisziplinäre For-schungsbereiche. Die Hälfte davon beschäftigtsich vor allem mit Quanteneffekten, wie demVerhalten einzelner Spins und Elektronen, derNanophotonik und den Grundlagen von Quan-ten-Computern. Ein zentrales Thema ist etwadie Organisation von Nanostrukturen wie Quan-tenpunkten, Quantendrähten oder Kohlenstoff-Nanoröhren in Netzwerken für die Informa-tionsverarbeitung. In den anderen, eherbiotechnologisch orientierten Forschungs-bereichen geht es unter anderem um die Er-forschung von Nano-Sensoren, molekularenMaschinen, die Untersuchung von Nanometer-großen Objekten in lebenden Zellen und denzielgerichteten Arzneimitteltransport. So er-forscht die Arbeitsgruppe von ProfessorChristoph Bräuchle an der Ludwig-Maxi-milians-Universität (LMU) München künstlicheViren, die Medikamenten-Wirkstoffe gezielt anden Einsatzort in menschlichen Zellen beför-dern sollen.

EIN ATTRAKTIVER STANDORT FÜR

EXZELLENTE FORSCHUNG

NIM kann in allen Forschungs-Bereichen aufein breites und umfassendes Expertenwissen inunterschiedlichsten Disziplinen zurückgreifen.Dabei wird das experimentelle Know-howdurch theoretische Arbeiten fundiert und er-gänzt. Das erklärte Ziel von NIM ist es, imMünchner Raum eine attraktive wissenschaft-liche Umgebung für international anerkanntehochkarätige Forschung zu schaffen.

Ein besonderes Augenmerk liegt darauf, außer-gewöhnlich begabten jungen Wissenschaftle-rinnen und Wissenschaftlern internationalwettbewerbsfähige Start- und eigenständigeForschungsbedingungen anzubieten. Das ge-lingt zum einen mit eigens für NIM eingerichte-ten Tenure-Track-Professuren, die langfristigeKarriere-Perspektiven eröffnen und die Kon-tinuität in der Forschung gewährleisten. Aberauch Professorinnen und Professoren, derenStellen aus regulären Landesmitteln finanziertwerden, bekommen von NIM zusätzliche Mittel

für die Ausstattung. Damit können größere In-vestitionen getätigt und das wissenschaftlichePersonal zusätzlich aufgestockt werden.

NIM erhält durch die Organisation von Som-mer- und Winterschulen sowie gezielter the-matischer Workshops und Konferenzen weitereinternationale Sichtbarkeit. Doktorandinnenund Doktoranden sowie Postdoktorandinnenund Postdoktoranden von NIM bekommen auf

Abbildung 1

Dank NIM ist München als Stand-

ort exzellenter Nanoforschung

auch für internationale Wissen-

schaftler attraktiv.

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Abbildung 2

Der wissenschaftliche Nach-

wuchs bei NIM: Doktoranden

bereiten ein optisches Kurzpuls-

experiment zur Untersuchung

ultraschneller Ladungs-

trennungsprozesse in hybriden

Nanosystemen vor.

diese Weise die einmalige Gelegenheit, aktuel-le Entwicklungen auf verschiedenen Gebietender Nanowissenschaften aus erster Hand vonweltweit führenden Fachleuten erklärt zu be-kommen und darüber hinaus ihre eigenen For-schungsergebnisse mit diesen auf höchstemwissenschaftlichem Niveau zu diskutieren.

EHRUNGEN FÜR EXZELLENTE WISSEN-

SCHAFT UND TECHNOLOGIETRANSFER

Die Qualität der Forschung im Exzellenzclusterwird auch in den aktuellen Auszeichnungen für

NIM-Wissenschaftler deutlich. So wurde derBiochemiker Professor Patrick Cramer im Ja-nuar 2009 mit dem Familie-Hansen-Preis derBayer Science & Education Foundation aus-gezeichnet, der mit einem Preisgeld von 50.000Euro verbunden ist. Der theoretische Physikerund NIM-Nachwuchsgruppenleiter Dr. FlorianMarquardt erhält im März 2009 den renom-mierten Walter-Schottky-Preis der DeutschenPhysikalischen Gesellschaft (DPG). Und Profes-sor Jonathan Finley wurde im September 2008auf dem „35th International Symposium onCompound Semiconductors“ in Freiburg mitdem Young Scientist Award geehrt. Auch dieBemühungen von NIM auf dem Gebiet desTechnologietransfers wurden vor kurzem hono-riert: Dr. Joachim Stehr (ehemaliger Doktorand

bei NIM) gewann mit seiner Ausgründungsidee„Nanostove“ den Münchner Businessplan-Wettbewerb.

SCHÜLER ALS NACHWUCHS FÜR

EXZELLENTE NANOFORSCHUNG

Die Förderung von zukünftigen Forscherkarrie-ren beginnt bei NIM aber schon vor dem Stu-dium. Deshalb hat NIM ein Mentoring-Pro-gramm gestartet, um besonders motiviertenund begabten Oberstufen-Schülerinnen undSchülern die Nanowissenschaften näher zubringen. In kleinen Gruppen werden die Gym-nasiastinnen und Gymnasiasten von zwei oderdrei NIM-Doktoranden/innen betreut. Diese er-läutern die Entscheidung für ihren Studiengangund berichten über ihre beruflichen Zukunfts-pläne. Sie geben einen Einblick in den For-schungsalltag und beantworten individuelleFragen. Die Schülerinnen und Schüler bekom-men die Möglichkeit, selbstständig Experimen-te durchzuführen und nehmen an Veranstaltun-gen und Projekten an der Universität teil. Siebesichtigen Labore und kommen in Kontakt mitleitenden Wissenschaftlerinnen und Wissen-schaftlern.

INTERNATIONALES RECRUITING

Der Rekrutierung hochqualifizierter Doktoran-dinnen und Doktoranden aus dem Auslanddient das von NIM im Jahr 2008 ins Leben ge-rufene Summer Research Program. Master-Studentinnen und Studenten aus aller Weltwaren für acht Wochen intensiver Forschungs-arbeit nach München gekommen. Auf 13 Pro-jekten bildeten jeweils zwei Studierende einTeam, das von einer Doktorandin oder einemDoktoranden betreut wurde. Die Teilnehmerin-nen und Teilnehmer kamen aus europäischenLändern aber auch aus Südamerika, China, denUSA und Thailand. Eine Neuauflage des Pro-gramms für das Jahr 2009 ist bereits aus-geschrieben.

MEHR PROFESSORINNEN

NIM möchte auch gezielt den Frauenanteil inden am Cluster beteiligten Fakultäten erhöhen.Vor allem im Fachbereich Physik gibt es bishernur wenige Professorinnen. Deshalb sollenGleichstellungsmaßnahmen insbesondere Wis-senschaftlerinnen in die Lage versetzen, ihre


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familiären Ziele mit ihrer Forschungskarrierezu verbinden. NIM finanziert beispielsweise zu-sätzliches technisches Personal zur Entlastungvon Wissenschaftlerinnen und Wissenschaft-lern mit Kindern. Leider wird die Umsetzungeiniger NIM-Vorschläge zur Förderung vonWissenschaftlerinnen von der Politik und durchdiverse gesetzliche Regelungen verhindert.

ÖFFENTLICHKEITSARBEIT UND

INDUSTRIEKONTAKTE

Damit aktuelle Forschungsleistungen bei NIMvon der Öffentlichkeit, der Industrie und derPolitik besser wahrgenommen werden, berich-tet das Cluster mittels Pressemitteilungen undeinem eigenen NIM-Newsletter über aktuelleForschungsergebnisse und alle laufenden Ak-tionen bei NIM. Das Cluster ist seit seiner Grün-dung regelmäßig auf international führendenMessen und Tagungen im In- und Ausland ver-treten, beispielsweise auf der japanischenMesse „Nanotech“ in Tokio. In München hatNIM 2007 an der LMU einen Tag für die Öffent-lichkeit veranstaltet, den NanoDay. Die Gästekonnten sich in allgemeinverständlichen Vor-trägen, bei Vorführ- und Mitmach-Experimen-ten und bei Laborführungen ein umfassendesBild von den Nanowissenschaften im MünchnerRaum machen. Im Jahr 2008 hat sich NIM mitExperimenten und Vorträgen an der Wissen-schaftsmeile anlässlich des 850. Stadtgeburts-tags der Landeshauptstadt beteiligt. Als Part-ner für die Öffentlichkeit sitzt das DeutscheMuseum bei NIM mit im Boot. Das dort zurzeitim Bau befindliche Zentrum für neue Techno-logien (ZNT) soll auch dem NanoDay 2009 alsKulisse dienen.

AM CLUSTER BETEILIGTE

INSTITUTIONEN

Ludwig-Maximilians-Universität (LMU)München [Sprecheruniversität]Technische Universität München (TUM)Universität AugsburgHochschule MünchenWalther-Meißner-Institut fürTieftemperaturforschungWalter Schottky Institut der TUMMax-Planck-Institut für BiochemieMax-Planck-Institut für QuantenoptikDeutsches MuseumCenter for NanoScience (CeNS)

KONTAKT

Dr. Peter SonntagPresse- und ÖffentlichkeitsarbeitNanosystems Initiative MunichSchellingstraße 4D–80799 MünchenTelefon +49 (0) 89 / 2180 - 5091E-Mail [email protected]

Internet www.nano-initiative-munich.de

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Abbildung 3 · Nanowissenschaft zum Anfassen: Solarzellen aus Nanoteilchen und

Früchten. Bei der Wissenschaftsmeile zur 850-Jahr-Feier der Stadt München war NIM

mit Vorführexperimenten vor Ort.

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Q u e l le : P h y s i k I n s t r u m e n t e ( P I ) G m b H & C o . K G

In der Biotechnologie sowie in der klinischen und pharmazeutischen Forschung ist

Mikroskopie heute ohne Automatisierungstechnik kaum noch denkbar. Aber auch bei

etlichen Anwendungen in der industriellen Oberflächeninspektion verlangen sowohl

die großen Datenmengen als auch die gewünschten Durchsatzraten entsprechende

Lösungen bei Probenhandling und -positionierung. Nun erreichen handelsübliche

Schrittmotoren zwar die notwendigen Geschwindigkeiten und Auflösungen im Mikro-

meterbereich und eignen sich damit durchaus als Antriebe für einen Proben-Scan in

XY-Richtung. Für Bewegungen in Richtung der optischen Achse hingegen sind weit-

aus höhere Auflösungen erforderlich, gleichzeitig sind langsame Einschwingzeiten

der Antriebe hier unerwünscht. Weitaus bessere Voraussetzungen für die Fokus-

Feinjustierungen bieten Piezoantriebe. Obendrein lassen sie sich vergleichsweise

einfach in die Anwendung integrieren und auch ein späteres Nachrüsten ist meist

unproblematisch.

Piezoantriebe für dieMikroskopie

Piezoantriebe lassen sich flexi-

bel und einfach am Mikroskop

anbringen und erlauben eine

schnelle Feinjustierung des

Fokus. Mehrere 100 μm können

so binnen weniger Millisekunden

auf wenige Nanometer genau

angefahren werden. (Foto: PI)

Automatische Fokusjustierung –

hochpräzise, schnell und zuverlässig

In der Mikroskopie gibt es viele Anwendungen,die eine dynamische und präzise Justierung derProbe in Richtung der optischen Achse erfor-dern. Dazu gehören beispielsweise die Autofo-kussierung auf die Topografie der Oberflächeoder die Datenerfassung in unterschiedlichenBrennebenen zur computerunterstützten Dar-stellung dreidimensionaler Strukturen. In alldiesen Fällen kommt es darauf an, in möglichstkurzer Zeit mit größtmöglicher Genauigkeit zufokussieren:

PRÄZISE EINSTELLUNG DER

BRENNEBENE IN DER KONFOKALEN

MIKROSKOPIE

Diese Vorteile des Piezoantriebs lassen sichauch für die dreidimensionale Bilderzeugungnutzen. Bei der so genannten konfokalen Mi-kroskopie werden beispielsweise in der Diag-

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nostik virtuelle Schnitte durch die Gewebe-struktur erzeugt bzw. die Beschaffenheit derProbe wird durch die Verschiebung der Brenn-ebene detektiert. Für die Justage der Brenn-ebene ist auch hier eine präzise Bewegung derabbildenden Optik in Richtung der optischenAchse notwendig. Alternativ dazu kann aberauch die Probe entsprechend bewegt werden.Beide Verfahren haben ihre Berechtigung:

PIFOC-Z-Antriebe für das Objektiv können sehrklein und steif gebaut werden. Sie reagieren da-durch mit kurzen Ansprechzeiten, und positio-nieren durch die gute Führung auch bei ver-hältnismäßig großen Verfahrwegen sehr genau.Außerdem sind bei der Probe bewegungsbe-dingte Störungen auszuschließen. Entsprechendausgelegt können die PIFOC-Z-Objektivantrie-be je nach Applikation einzelne Objektive oderden ganzen Revolver bewegen.

Es gibt aber auch Gründe, die dafür sprechen,beim Fokussieren nicht das Objektiv zu bewe-gen, sondern die Probe. Der wichtigste ist, dassauf diese Weise das Bild bei der Phasenkontrast-Mikroskopie (Differentielle Interferenz-Kontrast-mikroskopie, kurz: DIC) nicht geschwächt wird.Dazu lassen sich die Piezo-Z-Antriebe aufgrundihrer Kompaktheit oft direkt in den bereits vor-handenen XY-Probenscanner integrieren. Aus-führungen mit vertikalen Verfahrwegen von 0,1bis 0,5 mm passen z. B. ohne Adapter in XY-Scanner des Mikroskopausrüsters Märzhäuser.Damit können noch immer alle gängigen Pro-benhalter für Objekträger bis hin zur Mikroti-terplatte verwendet werden. Die noch immergeringe Gesamthöhe des kompletten XY-Z-Sys-tems erlaubt den Einsatz unter allen gängigenMikroskopen und lässt sich so einfach wie einklassischer Kreuztisch integrieren und ansteu-ern.

Kontakt:

Physik Instrumente (PI)

GmbH & Co. KG

Auf der Römerstraße 1

D-76228 Karlsruhe/Palmbach

Tel.: +49 (0)721 4846-0

Fax: +49 (0)721 4846-100


www.pi.ws

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Das Nanosurf Nanite AFM eignet sich hierfür inbesonderer Weise, da es die automatischeAufnahme eines Arrays von AFM-Bildern er-möglicht. Hierzu müssen lediglich die Größeeines Einzelbildes, der Überlapp zwischen denBildern und die Anzahl Bilder im Array angege-

ben werden. Das AFM nimmt dann automatischdie Einzelbilder auf und speichert diese. Mit derNachbearbeitungssoftware Nanosurf ReportExpert wird anschließend aus dem Array ausEinzelbildern ein neues Gesamtbild erstellt.Dieses Gesamtbild enthält alle metrologischenDaten und kann wie ein Einzelbild analysiertwerden.

PRAXIS-BEISPIEL — LCD-PANEL

Moderne Flachbildschirme bestehen aus vielenSchichten, welche eine komplexe dreidimensio-nale Struktur aufbauen. Konventionelle opti-sche Mikroskopie ist beugungsbegrenzt nichtmehr in der Lage, die dreidimensionalen Struk-turen im Submikrometerbereich abzubilden undzu analysieren, so dass eine Fehleranalyse dererzeugten Strukturen hinsichtlich Kantenschär-fe zu ungenau ist.

Bild 1 zeigt eine optische Aufnahme eines LCD-Panels mit 120-facher Vergrößerung. Ein LCD-Pixel entspricht der rot umrandeten Box, welchemit einer Abmessung von 407 μm x 407 μm we-sentlich größer ist, als der maximale Scan-Bereich eines AFM, welcher eher der weißenBox entspricht. Soll nun ein Bereich in der

Q u e l l e : N a n o s u r f A G

Hochauflösende bildgebende Verfahren wie die Raster-Kraftmikroskopie (AFM-

atomic force microscopy) sind naturgemäß limitiert in ihrem maximalen Scan-

Bereich für ein Bild. Erfordert die Analyse jedoch die hohe AFM-Auflösung und

einen großen Scan-Bereich, lässt sich dies durch Aneinanderreihung von einzel-

nen AFM-Bildern (Stitching) realisieren, ähnlich wie in der Fotografie Pano-

rama-Ansichten generiert werden. Mit dieser Technik können dann mehrere

nebeneinander liegende AFM-Bilder zu einem einzigen großen AFM-Bild zu-

sammengefügt und so AFM-Bilder mit Kantenmassen von 1 mm und mehr

erzeugt werden.Kontakt:

Nanosurf AG

Dr. Björn Pietzak

Area Sales Manager

Grammetstrasse 14

CH-4410 Liestal

Tel.: +41 (0)61 927 5682

Fax: +41 (0)61 927 5647


www.nanosurf.com

Große Flächen mitAFM-Stitching analysieren

Bild 1

Optische Aufnahme eines

LCD-Panels mit 120-facher

Vergrößerung.

Rot umrandet ist ein ein-

zelnes LCD-Pixel. Das

kleinere weiße Viereck

entspricht ungefähr dem

maximalen Scan-Bereich

eines AFM.

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Größe eines Pixels mit dem AFM gemessenwerden, kann dies nur über die Aufnahme meh-rerer Einzelbilder an wohldefinierten Positionenerfolgen. Der motorisierte Verfahrtisch des Na-nosurf Nanite erlaubt sowohl die präzise Po-sitionierung als auch Automatisierung derMessungen, wodurch die Präsenzzeit des Be-nutzers weitgehend entfällt. Nachdem die Ein-zelbilder erfasst sind, werden diese imStitching-Module eingelesen und zu einem ein-zigen Großbild zusammengefügt (Bild 2). DieDarstellung in Bild 3 zeigt, wie aus diesemAFM-Großbild dreidimensionale Merkmale wieKantenwinkel oder Rillentiefe der LCD-Struk-turen ersichtlich werden, die der optischen Mi-kroskopie unzugänglich sind.

Das Beispiel des LCD-Panels zeigt, wie durchStitching bei einer der optischen Mikroskopieentsprechenden Bildgröße AFM-Auflösung er-reicht werden kann. Diese kann beispielsweisein der Prozesskontrolle neue Erkenntnisse lie-fern, die zu einer Ausschussminderung führenkönnen, oder in der Entwicklung auf Eigenschaf-ten hinweisen, die optischen Methoden verbor-gen bleiben. Mit dem Nanosurf Nanite lassensich sowohl die Einzelbilderfassung als auchderen Zusammenfügung automatisieren, womitAFM-Großbilder zur Prozesskontrolle bequemund kostengünstig erstellt werden können.

Bild 3

3D-Repräsentation des

AFM-Bildes des LCD-

Panels. Das AFM-Bild

zeigt in dieser Darstel-

lung klar den grundle-

genden Unterschied zur

rein optischen Beobach-

tung – die dreidimensio-

nalen Daten. Dieses Bild

wurde aus einem Array

von 5 x 5 Einzelaufnahmen

generiert.

Bild 2

Das Stitching Module der

Nanosurf Report Expert

software. Mit einfachen

Befehlen können die

Einzelmessungen impor-

tiert und zu einem neuen

Gesamt-AFM-Bild zu-

sammengesetzt werden.

Hier, am Beispiel eines

5 x 5 Array, sieht man

deutlich den Überlapp

der Einzelbilder, welcher

für die Zusammenset-

zung unerlässlich ist.


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Rastersonden-mikroskopie für die Ausbildung

AUTOREN

Rudolf Meeß, CC UPOB e.V.

Dr. Hans U. Danzebrink, PTB

So bringt der Staat Nanotechnologie zum Nachwuchs.

Ohne seinen wissenschaftlichen Nachwuchs kann der Wirtschaftsstandort

Deutschland am globalisierten Markt nicht bestehen. Aber wo fängt Forschung

an? Schon in den Schulen muss das Interesse an Technologie geweckt werden!

Ein Ansatzpunkt ist der in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt Braun-

schweig (PTB) entwickelte Bausatz eines Rasterkraftmikroskops. Dieses

Mikroskop macht Mikro- und Nanostrukturen sichtbar und somit moderne Nano-

technologie auch in Schulen direkt (be-)greifbar. Dieses und andere Projekte

werden über das Kompetenzzentrum Ultrapräzise Oberflächenbearbeitung (CC

UPOB e.V.) und durch die „Arbeitsgemeinschaft der Nanotechnologie-Kompe-

tenzzentren in Deutschland“ (AGeNT-D) unterstützt.

tenzzentren verstehen sich als Netzwerke je-weils mehrerer Institute und Unternehmen zuunterschiedlichen Teilgebieten der Nanotech-nologie. Sie sollen die Forschungsaktivitätenauf dem Gebiet der Nanotechnologie bei ihrerSelbstorganisation unterstützen und die indus-trielle Anwendung der Nanotechnologie voran-bringen. Die eigenständige Existenz dieserEinrichtungen auch nach dem Ablauf des För-derzeitraums zeigt, dass Industrie und For-schung gleichermaßen positiv auf die Initiativedes Bundes angesprochen haben. 2007 habensich die nunmehr neun bundesweiten deut-schen Kompetenzzentren der Nanotechnologiezur Arbeitsgemeinschaft der Nanotech-

nologie-Kompetenzzentren in Deutsch-

land (AGeNT-D) zusammengeschlossen. Sie

FORSCHUNG UND STAATLICHE

FÖRDERUNG IN DER NANOTECHNOLOGIE

1998 erklärte der damalige Bundesminister für Bildung, Wissenschaft, Forschung undTechnologie, Dr. Jürgen Rüttgers, zur Jury-Ent-scheidung des BMBF-Wettbewerbes Kompe-

tenzzentren in der Nanotechnologie, dieNanotechnologie gehöre zu den Schlüsseltech-nologien des 21. Jahrhunderts. Die Gründungder Kompetenzzentren erfolgte im gleichenJahr mit Hilfe von BMBF-Fördergeldern füreinen Zeitraum von 5 Jahren. Diese Kompe-

decken zusammen die gesamte Spannbreiteder Nanotechnologie ab.

Die Mitglieder des Kompetenzzentrums Ul-

trapräzise Oberflächenbearbeitung (CC

UPOB e.V.) beschäftigen sich mit Produk-tionstechniken, Maschinen und Maschinen-komponenten, Metrologie, Sensorik sowieWerkstoffen für Produkte mit meist makrosko-pischen Abmessungen, die technische Funk-tionsflächen besitzen, deren Maße, Form, Lageund Oberflächengenauigkeit im Nanometer-bereich toleriert sind. Das CC UPOB e.V. schafftGelegenheiten für den Gedanken- und Erfah-rungsaustausch und unterstützt die darausentstehende Zusammenarbeit. Die Organisa-tion von Messegemeinschaftsständen gehört

ebenso wie die Vermittlung von Kooperationenzwischen Industrie und Forschung zu den wie-derkehrenden Aufgaben. Die Arbeitsgemein-schaft der Nanotechnologie-Kompetenzzen-tren in Deutschland ermöglicht Machbarkeits-

studien, die als Kooperation von KMU undForschungseinrichtung beim CC UPOB be-antragt werden können.

Organisation oder Durchführung von Semina-ren und Workshops runden das Leistungs-spektrum ab.

Die Geschäftsstelle des CC UPOB e.V. ist ansäs-sig bei einem der Gründungsmitglieder, derPhysikalisch-Technischen Bundesanstalt

(PTB) in Braunschweig. Aufgrund der räum-

Abbildung 1

Messestand des CC UPOB e.V.

auf der OPTATEC 2008 in

Frankfurt · Bild: CC UPOB e.V.

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Abbildung 2 · links

Funktionsprinzip eines Raster-

kraftmikroskops: Die feine Mess-

spitze wird über die Oberfläche

gerastert, während ein Licht-

strahl (rot) deren Auslenkung

sehr präzise misst. · Bild: Danze-

brink

Abbildung 3 · rechts

Das Rasterkraftmikroskop im

Betrieb: Ein Auszubildender zum

Physiklaboranten und ein Schü-

lerpraktikant bereiten die nächs-

te Messung vor. · Bild: Danze-

brink

lichen Nähe ergeben sich zahlreiche Ansatz-punkte für Kooperationen und Gemeinschafts-projekte von UPOB-Mitgliedern und der PTB.Die Entwicklung eines Bausatzes für ein Raster-kraftmikroskop zum Einsatz in Forschung undLehre ist hierfür ein Beispiel und wird durcheine Grundförderung vom BMBF unterstützt.

DER RASTERKRAFTMIKROSKOP-

BAUSATZ FÜR DIE AUSBILDUNG

Die Messung der Geometrie von Mikro- undNanostrukturen ist für die Nanotechnologieenorm wichtig, da die physikalischen und che-mischen Eigenschaften der kleinen Objekteunmittelbar durch deren Abmessungen beein-flusst werden. Eine direkte Untersuchung die-ser Strukturen stellt allerdings eine Heraus-forderung dar, da selbst Lichtmikroskopekeinen direkten Blick auf die Feinheiten erlau-ben. Stattdessen geschieht deren Unter-suchung mit so genannten Rasterkraftmikro-skopen. Diese verwenden Nanometer-feineMessspitzen, um die Oberflächen zeilenweiseabzurastern (siehe Bild 2). Im Computer wer-den diese Informationen als Zahlenmatrix ab-gelegt und zu einem dreidimensionalen Bild zu-sammengesetzt.

Basierend auf den Erfahrungen im Bereich derMikroskopentwicklung wurden in der PTBRasterkraftmikroskope entwickelt, die auf-grund ihres didaktisch orientierten Geräteauf-baus und des einfachen Betriebs für den Ein-satz in Schulen und anderen Ausbildungs-einrichtungen geeignet sind. Ziel der Arbeitenist die Bereitstellung eines kostengünstigenMikroskop-Bausatzes sowie die Zusammen-stellung von Vorschlägen für Experimente, diegemeinsam mit den Schulen erarbeitet werden.

Erste Kooperationen mit Schulen laufen bereitssehr erfolgreich.

Ein Bericht über den Einsatz des beschriebe-nen Rasterkraftmikroskops an einer Berufs-fachschule kann in einem weiteren Beitrag die-ser Ausgabe nachgelesen werden.

Bevor die Schüler jedoch die eigentlichen Ex-perimente und Messungen zur Klärung physi-kalischer, biologischer oder chemischer Frage-stellungen mit den Mikroskopen durchführenkönnen, sind die Geräte zunächst aufzubauen.Hierbei erlangen die Kinder und Jugendlichenpraktische Erfahrungen in den Gebieten Fein-mechanik, Elektronik und Computer-Program-mierung. Gerade dieses Zusammenspiel derverschiedenen Disziplinen spiegelt das wieder,was die Nanomikroskopie und die Nanotechno-logie für die Ausbildung so wertvoll macht: dieinterdisziplinäre Vorgehensweise.


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KONTAKT

CC UPOB e.V. · www.upob.de

Physikalisch-Technische BundesanstaltBundesallee 100 · D–38116 BraunschweigArbeitsgruppe „Rastersondenmetrologie“ · [email protected]

ausgabe 2 2009 - nanoscience · 2015. 10. 5. · aus diesem grund wurde die ressort-übergreifende...

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