Trendbericht Nanotechnologie: analytica 2008 "blickt" in die Zukunft der Nanoanalytik
Das Kürzel "Nano" stammt vom griechischen Wort "Nanos" (Zwerg) ab und ist daher begrifflich eher eine Untertreibung: Denn ein Nanometer ist der milliardste Teil eines Meters, und die Nanotechnik bezeichnet wiederum ein Verfahren, mit dem sich Strukturen dieser Größenordnung herstellen oder gezielt manipulieren lassen. Würde man ein Kleinkind im gleichen Verhältnis eine Milliarde Mal vergrößern, dann könnte es mit seinen ausgestreckten Armen den Mond erreichen und ihn wie eine winzige Perle zwischen den Fingern halten.
Internationale Analysten beziffern das weltweite Marktvolumen der Nanotechnologie auf einen zweistelligen "Milliarden-Dollar-Betrag". Von diesem Boom profitiert auch die Analytik in einem gewaltigen Umfang: Zum einen bietet die Nanotechnologie der Analytik eine Vielzahl neuer Einsatzpotenziale und damit auch Wachstumschancen. Hier steht die Branche erst am Anfang einer gigantischen Entwicklung, da sich viele Optionen erst am Horizont abzeichnen bzw. bis dato noch Visionen sind. Zum anderen sind analytische Methoden gefragt, um umfassend und aussagekräftig in die Dimensionen der Nanotechnologie vorzudringen. Auch hier stehen neue Entwicklungen an.
Folglich spielt die Entwicklung neuer oder optimierter analytischer Methoden im Nanometerbereich eine ausgesprochen wichtige Rolle für den Fortschritt der gesamten Zukunftsdisziplin Nanotechnologie. Der Grund liegt auf der Hand: Der gezielte Aufbau nanoskaliger Strukturen ist ohne geeignete Analytik schlicht undenkbar. Die Methoden und Geräte der Nanoanalytik fungieren quasi als "Auge", um Nanostrukturen zu sehen und als "Finger", um diese Strukturen anzufassen und gezielt zu verändern. Gleichzeitig ist die Nanoanalytik auch eine Querschnitts-technologie, die wichtige Servicefunktionen für andere Technologiebereiche liefert. Während die Nanoanalytik anorganischer Proben, wie Halbleiter, bereits etabliert ist, besteht bei der Untersuchung biologischer Systeme noch Nachholbedarf.
Laut einer Studie der Aachener Gesellschaft für Innovation und Technologietransfer AGIT und des Aachener Kompetenzzentrums Medizintechnik entstehen durch die Verschmelzung der Nanotechnologie mit der Analytik auch völlig neue Märkte. Als Beispiele werden die Diagnostik und Medizintechnik genannt - hier lassen sich unter anderem bei neuen Kontrastmitteln oder der Medikamentierung kleinste Mengen von Wirkstoffen mit Hilfe beschichteter Nanopartikel verabreichen.
Zur Durchführung von analytischen Messungen in Nanometer-Dimensionen sind Transmissionselektronenmikroskope (TEM) der neuesten Generation erforderlich. Diese Geräte erzielen mit Hilfe einer so genannten HAADF-Scanning-Methode (HAADF steht für High Angle Annular Dark Field ) besonders bei schweren Atomen mit hoher Elektronendichte gute Kontraste und damit gute Bilder. Dies wird vorteilhaft zur Untersuchung von nanopartikulären Systemen, wie zum Beispiel Katalysatoren, eingesetzt.
Katalysatoren bestehen oft aus nanoskaligen Metallpartikeln, die auf oxidischen Trägern aufgebracht sind. Häufig werden zwei Metalle verwendet, wobei das eine die Aktivität, das andere Metall die Selektivität steuert. Damit der Katalysator sowohl aktiv als auch selektiv ist, müssen beide Metalle in den nur nanometergroßen Metallpartikeln vorliegen und das in einer fest definierten Größe. Ob dies der Fall ist, lässt sich mit Hilfe der ringförmigen HAADF-Scanning-Methode im TEM überprüfen. Dabei wird ein nur 0,5 bis 1 Nanometer breiter Elektronenstrahl rasterförmig über die Probe gefahren und werden die hinter ihr unter einem hohen Winkel gestreuten Elektronen mit einem ringförmigen Detektor gemessen.
Auch bei der Untersuchung nanostrukturierter Bulk-Materialien kommen die Vorteile der modernen Nanoanalytik zum Tragen. So hängen die Eigenschaften von polymeren Fasern ganz entscheidend von ihrer Struktur ab. Insbesondere bei diesen Materialien ist es aber schwierig, Informationen über ihren Zustand zu erhalten, da sich diese Strukturierung noch bei der Verarbeitung - beispielsweise im Extruder -stark verändern kann.
Mit Hilfe der so genannten Röntgenweitwinkelstreuung (Wide Angel X-Ray Scattering, WAXS) können die direkt aus dem Extruder kommenden Fasern neuerdings zerstörungsfrei analysiert werden. Das Prinzip dieser Methode beruht auf der Wechselwirkung von Röntgenstrahlung mit Materialien, die ein mehr oder weniger großes Maß an Ordnung aufweisen.
Als spektakulär sind jüngste Arbeiten zu plasmonischen Effekten von Nanopartikeln zu bezeichnen. Plasmonen sind elektromagnetische Wellen, die sich an metallischen Oberflächen entlang ausbreiten und an die Grenzfläche zwischen einer dünnen Metall- und einer Polymerschicht gebunden sind. Mit den entsprechenden Nanostrukturen ist es möglich, optische Signale zu leiten und zu verarbeiten.
Am Institut für Photonische Technologien der Friedrich-Schiller-Universität Jena ist es einem Wissenschaftlerteam gelungen, Nanopartikel aus Gold in Form von Markierungen für die Bioanalytik zu nutzen. Diese Partikel erlauben eine technisch deutlich einfachere optische Detektion im Vergleich zu Fluoreszenzverfahren und verbessern gravimetrische Nachweise signifikant in ihrer Sensitivität.
Weitere erfolgversprechende Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten beziehen sich auf Nanoantennen und kompakte Nanolaser. Mit Hilfe von Nanoantennen ließe sich die Genauigkeit bildgebender Verfahren in der medizinischen Diagnostik sowie von Instrumenten zur Identifizierung chemischer und biologischer Kampfstoffe erheblich verbessern.
Nanoantennen nutzen die im Zuge einer Plasmonenresonanz induzierte Absorption, um mittels Laserpulsen Energie spezifisch in die Partikel einzukoppeln. Dabei handelt es sich um ein besonders schonendes Verfahren, welches die Umgebung nicht schädigt. Durch die Nanoantennenwirkung wird die Auflösung in erster Näherung durch die Partikelgröße bestimmt und kann damit deutlich unterhalb der Wellenlänge des eingesetzten Lichtes liegen.
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