Nanotechnologie

Prof. Michel Wautelet ist Leiter des Physikalischen Instituts der Université de Mons-Hainaut (Belgien).

Aus dem Inhalt: 1 Die Revolution der Nanotechnologie 2 Die atomare Struktur und die Kohäsion 3 Die elektronische Struktur der Nanosysteme 4 Molekulare Elektronik 5 Neuroelektronik 6 Verformbare elektronische Werkstoffe 7 Herstellung von Nanostrukturen 8 Nanoverbundwerkstoffe mit organischer Matrix 9 Nanomagnetismus 10 Die Nanotechnologie im Ausblick Anhang Literatur Stichwortverzeichnis

2 Die atomare Struktur und die Kohäsion (S. 27-28)

Partikel mit Abmessungen im Bereich von 1 bis 100 nm haben ganz spezielle physikalische und chemische Eigenschaften. Diese Nanopartikel sind in einem Zwischenzustand zwischen Festkörper und Einzelmolekül. Bei diesen Teilchen ist die Zahl der Oberflächenatome, NS, nicht mehr wie üblich klein gegenüber der Atomzahl im Inneren des Partikels, Npart. Bei einem kugelförmigen Partikel, dessen Radius r Atomabstände beträgt, liegt das Verhältnis Npart / NS etwa bei 3 / r. Wenn r den Wert 50 annimmt, was einem Partikeldurchmesser von etwa 10 nm entspricht, dann besteht das Teilchen aus ca. 0,5 Millionen Atomen, von denen 6% an der Oberfläche zu finden sind. Unter diesen Bedingungen ist klar, dass die Oberflächenatome eine wichtige Rolle spielen müssen. Da mit bekannten oder in Entwicklung befindlichen Methoden Größe und Form von Nanopartikeln aktiv gestaltet werden können, lassen sich den Partikeln auch spezielle Eigenschaften mitgeben.

Für diese Besonderheiten der Nanopartikel sind die geringen Teilchengrößen verantwortlich. René-Just Haüy (französischer Mineraloge) hat bereits am Anfang des 19ten Jahrhunderts festgestellt, dass makroskopische Kristalle nichts anderes sind als eine räumlich periodische Anordnung von mikroskopischen Entitäten, die er als "integrierte Moleküle" bezeichnete. Die geometrische Form dieser integrierten Moleküle und die Art und Weise, wie diese auf den Kristallflächen angeordnet sind, bestimmt die Form der Kristalle. Heute wissen wir, dass es sich bei den "integrierten Molekülen" selbst wieder nur um Anordnungen von Atomen handelt. Die gesamte atomare Anordnung korreliert wiederum mit der Form des jeweiligen Kristalls. Jede kristallographische Ebene ist durch eine spezifische Anordnung der Atome in dieser Fläche gekennzeichnet. Diese Anordnung bestimmt die unterschiedlichen Eigenschaften von Kristallen, wie die Oberflächenspannung oder die chemische Reaktionsfähigkeit. Werden die Abmessungen der Kristalle systematisch verkleinert, dann entstehen im Nanometerbereich spezielle geometrische Strukturen: Nanoröhren, kompakte oder lockere Atomcluster, wie die Fullerene, oder spezielle, regelmäßige Polyeder.

In dieser Größenordnung dominieren Quanteneffekte, und diese hängen nicht nur von der atomaren Nahordnung der Atome ab, sondern auch von der Form und Größe des gesamten Nanopartikels, wie dies auch schon von den Molekülen her bekannt ist. Bereits 1967 haben Ino und Owaga festgestellt, dass sich Form und Struktur von Nanopartikeln von den kristallographischen Einheitszellen in Kristallen unterscheiden. Dies hängt mit dem verstärkten Einfluss der Oberflächen zusammen, die in (großen) Kristallen vernachlässigt werden kön nen. Die Kräfte zwischen den Oberflächenatomen sind anders als im Volumen, und dies beeinflusst den Zusammenhalt der einzelnen Partikel.

Im kristallinen Zustand sind die Atompositionen streng genommen nicht fest. Thermische Anregung führt zu kollektiven Schwingungen der Atome um ihre Gleichgewichtslagen. Wenn man sich der Schmelztemperatur annähert, werden die Atombewegungen unkoordinierter und die Schwingungsamplituden wachsen, bis der Phasenübergang in den flüssigen Zustand stattfindet. Seit Pawlow (1907) wissen wir, dass die Schmelztemperatur von festen Körpern mit der Größe der Teilchen abnimmt. Diese Abnahme entsteht durch den zunehmenden Einfluss der Oberflächen über die Kohäsionskräfte zwischen den Partikeln. Folglich weichen Phasendiagramme von festen Stoffen von den Diagrammen ab, die für Materialien aufgenommen wurden, di