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Sonderbereiche
Das Studium der Nanotechnik
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© Sven Hoppe, Fotolia
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Mit bloßem Auge gibt’s im Nanobereich absolut nichts zu sehen, denn ein Nanometer entspricht dem millionsten Teil eines Millimeters. Forschungen und Entwicklungen finden also ausschließlich in Molekül- und Atomdimensionen statt. In diesen Miniwelten ist selbst ein menschliches Haar extrem groß – im Durchschnitt 50.000 Nanometer. Zum Vergleich: Nano-Forschungsgebiete wie Clusterphysik, Oberflächentechnik, Chemie, Biologie, Halbleitertechnik, Maschinenbau und Lebensmitteltechnologie definieren sich dadurch, dass sie im Bereich von Einzelatomen forschen – das heißt in Größenordnungen zwischen 1 bis 100 Nanometern.
In solchen wissenschaftlichen Grenzbereichen ermöglichen einzigartige Phänomene völlig neue Erkenntnisse, denn feste Parameter wie Volumen oder Oberflächen verhalten sich plötzlich völlig anders als in normalen Dimensionen. Dafür sind quantenphysikalische Effekte und besondere chemisch-biologische Eigenschaften verantwortlich. Allein aus dem Eindringen in die Welt der Winzigkeit resultieren schon neue Funktionalitäten und Eigenschaften zur Verbesserung oder Entwicklung von Produkten. Genau das macht die Untersuchung dieser kleinsten Dinge so interessant und bietet den Forschern die Chance, etwas absolut Neuartiges zu entdecken.
Einstein sei Dank
Die Grundlagen der Nanotechnik legten Wissenschaftler wie Max Planck, Albert Einstein und Niels Bohr bereits Anfang des 19. Jahrhunderts als sie ihre Quantentheorien und Atommodelle schufen. Wirklich eintauchen in diese Miniwelten konnte man aber erst Anfang der 30er Jahre durch die Entwicklung des Elektronen- und in den 80ern durch das Rastertunnelmikroskop. Damit gelang es 1989 sogar, Atome zu bewegen und aus 35 dieser kleinsten Teilchen den Schriftzug "IBM" nachzubauen. Zwei Jahre später wurde die erste chemisch-nanotechnische Antihaftbeschichtung entwickelt, die zugleich transparent ist. Zur Jahrtausendwende vollendete man die Sequenzierung des menschlichen Genoms und 2003 bauten Wissenschaftler den ersten integrierten Schaltkreis aus Nanotubes. Heute hat man hochmoderne Rasterkraftmikroskope soweit optimiert, dass chemische Strukturen einzelner Moleküle in extrem hoher Auflösung dargestellt und sogar einzelne Atome fotografiert werden können.
Eine Menge Nano ist bereits Alltag
Nano-Anwendungen sind längst ganz konkret in unserem Alltag angekommen. Funktionsfähige Oberflächenbeschichtungen wie den Lotuseffekt kennen nicht nur Heimwerker. Durch Nano-Pigmente werden auf diese Weise wasser- und schmutzabweisende Farben oder Keramiken hergestellt. Minipigmente und Additive machen aber auch Lacke und Kunststoffe extrem hart. Sonnencremes bestehen aus nanopulvrigem Titandioxid und selbst Kleidungsstücke gibt es, deren Gewebe einen Nano-Verbund aufweisen, auf dem Schmutz keine Chance hat, weil er erst gar nicht anhaften kann.
Auch Computer werden immer leistungsfähiger, Handys immer kleiner und Optiken in Digitalkameras schrumpfen dank moderner Prozessoren, deren Strukturen sich jenseits von 100 Nanometer bewegen. Sogar auf dem Zahnarztstuhl sind wir mit Nanotechnik konfrontiert, denn Zahnfüllungen verhalten sich dank Nano nicht mehr wie amorphe Substanzen, sondern nehmen die Eigenschaften von Flüssigkeiten an und verschließen noch so kleine Löcher. Gerade in der Medizintechnik erhofft man sich von Nano-Anwendungen revolutionäre Veränderungen. Als Kontrastmittel bei Computertomografien sind schon jetzt eisenoxidhaltige Partikel im Einsatz, Tumoren rückt man mit den allerkleinsten Teilchen gezielt zu Leibe und durch die Blutbahnen schwimmen Mini-U-Boote, um Verkalkungen wegzusprengen.
Selbst die Elektrotechnik wird Nano, denn die weitere Miniaturisierung der Halbleiter schreitet voran und neue elektronische Bauelemente werden möglicherweise schon bald in Molekülgröße hergestellt.
Nur ein kleiner Schritt bis zum Nano-Studium
Viel Zukunft also, die diesem kleinen Mikrokosmos branchenübergreifend prognostiziert wird und viele Arbeitsfelder, die Ingenieuren nach einem Studium der Nanotechnologie offen stehen. Aktuell bieten bundesweit fast 20 Hochschulen fachspezifische Studiengänge im Bereich dieser Schlüsseltechnologie an. Das Ganze nennt sich dann Nanotechnologie, Nanowissenschaft, Nanostrukturtechnik, Nanochemie, Nano-Engineering, Nanobiotechnologie oder Nanoelektronik.
Da die Einsatzgebiete so breitgefächert sind, haben ganz unterschiedliche Ingenieur-Fachrichtungen und Fakultäten reagiert und wollen Studis mit dem zumeist noch jungen Studienangebot animieren, in die Nanowelten einzutauchen. Ob im Fachbereich Maschinenbau, Elektrotechnik, Materialwissenschaft, Informatik, Physik, Chemie oder Biologie, ob Uni oder FH, ob Bachelor oder Master, ob eigenständig oder Vertiefungsrichtung – sobald man weiß, auf welchen ingenieurwissenschaftlichen Bereich man sich konzentrieren möchte, hat man die Qual der Wahl.
Täuschen lassen darf man sich allerdings nicht. Schon in den ersten Semestern des Bachelorstudiengangs reichen Mini-Kenntnisse von mathematischen Methoden, chemischen Gesetzen und den physikalischen Grundlagen nicht mehr aus. Bei den Vorlesungen zu Chemie, Elektrotechnik, Informatik, Maschinenbau, Mathematik und Physik steht interdisziplinäres Wissen aus allen Naturwissenschaften hoch im Kurs.
In den weiterführenden Semestern oder im Masterstudiengang erfolgt dann eine fachliche Spezialisierung und man kann sich nanotechnische Kompetenzfelder auch nach eigenen Wünschen auswählen. Anorganische Chemie, instrumentelle Methoden, Grundlagen aus Messtechnik und Materialwissenschaft, statistische Thermodynamik, Herstellung dünner Schichten, Halbleitertechnologie, Mikrosystemtechnik, Festkörperphysik, Rastertunnelmikroskopie, Biomoleküle oder elektrochemische Nano- und Mikrosysteme sind – neben Praktika und Fachexkursionen – typische Vorlesungs- und Seminarthemen in dieser Phase des Studiums.
Zugegeben, winzig sind die Herausforderungen nicht. Hat man dieses interdisziplinäre naturwissenschaftlich-technische Wissen aber verinnerlicht und endlich seinen Bachelor- oder Masterabschluss in der Tasche, geht’s an spannende ingenieurwissenschaftliche Anwendungen und die unterschiedlichsten Facetten dieser revolutionären Zukunftstechnologie, deren Bezeichung sich vom altgriechischen Wort „nános“ ableitet, zu deutsch: „Zwerg“. Da kann man nur sagen: Je kleiner die Zwerge, desto größer die Möglichkeiten.
In solchen wissenschaftlichen Grenzbereichen ermöglichen einzigartige Phänomene völlig neue Erkenntnisse, denn feste Parameter wie Volumen oder Oberflächen verhalten sich plötzlich völlig anders als in normalen Dimensionen. Dafür sind quantenphysikalische Effekte und besondere chemisch-biologische Eigenschaften verantwortlich. Allein aus dem Eindringen in die Welt der Winzigkeit resultieren schon neue Funktionalitäten und Eigenschaften zur Verbesserung oder Entwicklung von Produkten. Genau das macht die Untersuchung dieser kleinsten Dinge so interessant und bietet den Forschern die Chance, etwas absolut Neuartiges zu entdecken.
Einstein sei Dank
Die Grundlagen der Nanotechnik legten Wissenschaftler wie Max Planck, Albert Einstein und Niels Bohr bereits Anfang des 19. Jahrhunderts als sie ihre Quantentheorien und Atommodelle schufen. Wirklich eintauchen in diese Miniwelten konnte man aber erst Anfang der 30er Jahre durch die Entwicklung des Elektronen- und in den 80ern durch das Rastertunnelmikroskop. Damit gelang es 1989 sogar, Atome zu bewegen und aus 35 dieser kleinsten Teilchen den Schriftzug "IBM" nachzubauen. Zwei Jahre später wurde die erste chemisch-nanotechnische Antihaftbeschichtung entwickelt, die zugleich transparent ist. Zur Jahrtausendwende vollendete man die Sequenzierung des menschlichen Genoms und 2003 bauten Wissenschaftler den ersten integrierten Schaltkreis aus Nanotubes. Heute hat man hochmoderne Rasterkraftmikroskope soweit optimiert, dass chemische Strukturen einzelner Moleküle in extrem hoher Auflösung dargestellt und sogar einzelne Atome fotografiert werden können.
Eine Menge Nano ist bereits Alltag
Nano-Anwendungen sind längst ganz konkret in unserem Alltag angekommen. Funktionsfähige Oberflächenbeschichtungen wie den Lotuseffekt kennen nicht nur Heimwerker. Durch Nano-Pigmente werden auf diese Weise wasser- und schmutzabweisende Farben oder Keramiken hergestellt. Minipigmente und Additive machen aber auch Lacke und Kunststoffe extrem hart. Sonnencremes bestehen aus nanopulvrigem Titandioxid und selbst Kleidungsstücke gibt es, deren Gewebe einen Nano-Verbund aufweisen, auf dem Schmutz keine Chance hat, weil er erst gar nicht anhaften kann.
Auch Computer werden immer leistungsfähiger, Handys immer kleiner und Optiken in Digitalkameras schrumpfen dank moderner Prozessoren, deren Strukturen sich jenseits von 100 Nanometer bewegen. Sogar auf dem Zahnarztstuhl sind wir mit Nanotechnik konfrontiert, denn Zahnfüllungen verhalten sich dank Nano nicht mehr wie amorphe Substanzen, sondern nehmen die Eigenschaften von Flüssigkeiten an und verschließen noch so kleine Löcher. Gerade in der Medizintechnik erhofft man sich von Nano-Anwendungen revolutionäre Veränderungen. Als Kontrastmittel bei Computertomografien sind schon jetzt eisenoxidhaltige Partikel im Einsatz, Tumoren rückt man mit den allerkleinsten Teilchen gezielt zu Leibe und durch die Blutbahnen schwimmen Mini-U-Boote, um Verkalkungen wegzusprengen.
Selbst die Elektrotechnik wird Nano, denn die weitere Miniaturisierung der Halbleiter schreitet voran und neue elektronische Bauelemente werden möglicherweise schon bald in Molekülgröße hergestellt.
Nur ein kleiner Schritt bis zum Nano-Studium
Viel Zukunft also, die diesem kleinen Mikrokosmos branchenübergreifend prognostiziert wird und viele Arbeitsfelder, die Ingenieuren nach einem Studium der Nanotechnologie offen stehen. Aktuell bieten bundesweit fast 20 Hochschulen fachspezifische Studiengänge im Bereich dieser Schlüsseltechnologie an. Das Ganze nennt sich dann Nanotechnologie, Nanowissenschaft, Nanostrukturtechnik, Nanochemie, Nano-Engineering, Nanobiotechnologie oder Nanoelektronik.
Da die Einsatzgebiete so breitgefächert sind, haben ganz unterschiedliche Ingenieur-Fachrichtungen und Fakultäten reagiert und wollen Studis mit dem zumeist noch jungen Studienangebot animieren, in die Nanowelten einzutauchen. Ob im Fachbereich Maschinenbau, Elektrotechnik, Materialwissenschaft, Informatik, Physik, Chemie oder Biologie, ob Uni oder FH, ob Bachelor oder Master, ob eigenständig oder Vertiefungsrichtung – sobald man weiß, auf welchen ingenieurwissenschaftlichen Bereich man sich konzentrieren möchte, hat man die Qual der Wahl.
Täuschen lassen darf man sich allerdings nicht. Schon in den ersten Semestern des Bachelorstudiengangs reichen Mini-Kenntnisse von mathematischen Methoden, chemischen Gesetzen und den physikalischen Grundlagen nicht mehr aus. Bei den Vorlesungen zu Chemie, Elektrotechnik, Informatik, Maschinenbau, Mathematik und Physik steht interdisziplinäres Wissen aus allen Naturwissenschaften hoch im Kurs.
In den weiterführenden Semestern oder im Masterstudiengang erfolgt dann eine fachliche Spezialisierung und man kann sich nanotechnische Kompetenzfelder auch nach eigenen Wünschen auswählen. Anorganische Chemie, instrumentelle Methoden, Grundlagen aus Messtechnik und Materialwissenschaft, statistische Thermodynamik, Herstellung dünner Schichten, Halbleitertechnologie, Mikrosystemtechnik, Festkörperphysik, Rastertunnelmikroskopie, Biomoleküle oder elektrochemische Nano- und Mikrosysteme sind – neben Praktika und Fachexkursionen – typische Vorlesungs- und Seminarthemen in dieser Phase des Studiums.
Zugegeben, winzig sind die Herausforderungen nicht. Hat man dieses interdisziplinäre naturwissenschaftlich-technische Wissen aber verinnerlicht und endlich seinen Bachelor- oder Masterabschluss in der Tasche, geht’s an spannende ingenieurwissenschaftliche Anwendungen und die unterschiedlichsten Facetten dieser revolutionären Zukunftstechnologie, deren Bezeichung sich vom altgriechischen Wort „nános“ ableitet, zu deutsch: „Zwerg“. Da kann man nur sagen: Je kleiner die Zwerge, desto größer die Möglichkeiten.
