Die Nanotechnologie gibt es schon seit einiger Zeit. Im Laufe der Jahre kam sie in vielen Formen zum Einsatz, von Technologien, mit denen Nanomerkmale in Massenmaterialien eingebracht werden (z. B. Lithografie), bis hin zur kompletten Herstellung hochfunktioneller Materialien, die nur 100 nm oder weniger und in einigen Fällen nur eine einzige Atomschicht dick sind. Der Bereich der Nanotechnologie ist sehr weitläufig. Sie erstreckt sich auf alle traditionellen Wissenschaftsbereiche (Biologie, Chemie, Physik und Ingenieurwesen) und damit auf ein großes und ständig wachsendes Anwendungsgebiet.

Die Nanotechnologie gibt es zwar schon seit Langem, aber viele Nischenbereiche sind noch im Entstehen. Davon befinden sich einige im Vergleich zu anderen Bereichen noch im Anfangsstadium. Doch selbst in Bereichen, die technologisch noch nicht weit fortgeschritten sind, wird intensiv geforscht, um herauszufinden, wie die Nanotechnologie in verschiedenen Anwendungsbereichen und Industrie-/Marktsektoren eingesetzt werden kann. Ein relativ neuer Bereich, der im Vergleich zu den etablierteren Nanotechnologien noch nicht so viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen hat, ist das Gebiet der Nanoarchitektonik.

Was ist Nanoarchitektonik?

Nanoarchitektonik ist ein Bereich der Nanotechnologie, der sich mit der Veränderung und Anpassung von Materialien an eine gewünschte Anwendung oder ein System befasst. Auf atomarer und molekularer Ebene werden Manipulationsmethoden in vielen Bereichen eingesetzt. Die Konzepte der Nanoarchitektur gibt es schon seit vielen Jahren in der Nanotechnologie und in angrenzenden Wissenschaftsbereichen, aber erst seit Kurzem ist sie ein eigenständiger Bereich mit festen Grundsätzen, die den Einsatz von Nanoarchitekturtechniken untermauern.

Die Nanoarchitektur ist im Wesentlichen eine methodische Brücke, die sowohl die Synthesemethoden zur Herstellung von Nanomaterialien als auch die atomaren Manipulationstechniken zur Veränderung und Anpassung bestehender Materialien umfasst. In der Nanoarchitektur werden Atome und Moleküle je nach den Anwendungsanforderungen in einer gewünschten Konfiguration angeordnet. Dabei werden Materialien geschaffen, die in der Natur nicht vorkommen, d. h. es handelt sich um vollständig künstlich hergestellte Materialien. Bei der Nanoarchitektur kommen auch verschiedene Herstellungs- und atomare Manipulationsmethoden zum Einsatz, damit die Wissenschaftler die Funktionen dieser Materialien besser verstehen und das Material auf optimale Weise manipulieren können.

Die Nanoarchitektur ist ein interdisziplinäres Gebiet, das verschiedene Aspekte der nasschemischen Synthese (anorganische, organische und supramolekulare Chemie) mit den Materialwissenschaften und der Fertigungstechnik verbindet. Ziel ist es, Materialien zu schaffen, die für ihre Anwendung besser geeignet sind, als wenn sie nur auf normalem Wege synthetisch hergestellt würden.

Die Nanoarchitektur ist eine Kombination aus Materialherstellung und -manipulation, und deshalb werden in diesem Bereich viele unterschiedliche Verfahren eingesetzt. Es gibt eine Reihe von Techniken zur Herstellung von Materialien, wie z. B. die Selbstanordnung, aber erst die Manipulation auf atomarer Ebene macht den Bereich der Nanoarchitektur aus. Andernfalls ließen sich die geschaffenen Materialien auch mit konventionellen synthetischen Methoden herstellen.

Für die Manipulation der Atome während der Synthese oder nach der Fertigung setzen die Entwickler eine Reihe von Techniken ein, u. a. externe Felder (magnetisch, elektrisch usw.), Sondenmikroskopietechniken (z. B. Rastertunnelmikroskopie oder Rasterkraftmikroskopie), Selbstanordnung innerhalb eines Materials und chemische Manipulation.

Das Ergebnis des gesamten Prozesses ist in der Regel ein Material, das auf eine bestimmte Weise verändert wurde (ähnlich wie die Dotierung mit Adatomen die Halbleitereigenschaften beeinflusst). Die Materialstrukturen, die durch die Kombination dieser verschiedenen Verfahren in einer technischen Fertigungsstrategie entstehen, sind in der Regel wesentlich hierarchischer als die, die mit anderen Verfahren hergestellt werden. Und diese Kombination von Fertigungsverfahren bedeutet, dass komplexere Strukturen erzielt werden können als mit herkömmlichen Verfahren. Bei modernen Materialien sind für gewöhnlich die atomaren und molekularen Eigenschaften für die funktionalen und aktiven Aspekte eines Materials verantwortlich, insbesondere bei Elektrogeräten. Daher können durch ein genaueres Verständnis des Fertigungsprozesses spezifische aktive Eigenschaften geschaffen werden, die neue Materialien für fortschrittliche Technologien ermöglichen.

Derzeit kommen die meisten Materialien und Systeme, die nach den Prinzipien der Nanoarchitektur hergestellt wurden, in medizinischen und biologischen Anwendungen zum Einsatz. Der Grund dafür ist, dass viele Systeme in der Natur bereits durch Selbstanordnung entstanden sind und es viel einfacher ist, die atomare Struktur vieler organischer und biologischer Materialien zu manipulieren, als dies bei anorganischen Materialien der Fall ist. In der Regel sind es eher anorganische Materialien (im Nanobereich oder anderweitig), die in High-Tech-Anwendungen wie Energiespeicherung, Computing oder Sensoren zum Einsatz kommen (natürlich gibt es auch Ausnahmen). Silizium, ITO, Lithiumelektroden, piezoelektrische Materialien und GaAs-Halbleiter sind beispielsweise allesamt anorganische Materialien, die häufig in der Spitzentechnologie verwendet werden. Die Forschung auf dem Gebiet der Biologie ist also sehr intensiv, aber auch das Interesse an fortschrittlicheren Technologien nimmt zu.

Weitere High-Tech-Bauelemente im Blick

Die Nanoarchitektur wurde bereits vielfach in biologischen und medizinischen Anwendungen eingesetzt. Im Vergleich dazu sind High-Tech-Anwendungen noch relativ unbekannt, aber es gibt einige Beispiele, bei denen die Prinzipien der Nanoarchitektur in elektronischen Bauelementen angewendet werden.

Einer der wichtigsten Bereiche, in denen nanoarchitektonische Methoden zum Einsatz kommen, ist die Entwicklung effizienterer Energiespeicher, insbesondere Superkondensatortechnologien. Superkondensatoren benötigen eine große aktive Oberfläche, um Ladung zu speichern. Durch nanoarchitektonische Analysen und Manipulationsmethoden lassen sich poröse Kohlenstoffmaterialien mit kontrollierter Porengröße und Größenverteilung strategisch gestalten. Dadurch lässt sich die Leistung von Superkondensatoren verbessern, sodass sie mehr Ladung speichern und abgeben können. Diese Optimierungsansätze können auch dazu beitragen, eine effizientere Oberfläche im Hinblick auf die strukturellen Eigenschaften (Rauheit, Glätte usw.) zu schaffen, um die elektronischen Eigenschaften moderner Superkondensatoren fein abzustimmen.

Ein weiterer nützlicher Anwendungsbereich der Nanoarchitektonik ist die Entwicklung funktionellerer Nanodrähte. Die Nanodrahttechnologie steckt noch in den Kinderschuhen, wird jedoch in Zukunft für eine Reihe von kleinen und flexiblen Geräten eingesetzt werden. Im Vergleich zu den konventionellen Fertigungsverfahren ermöglicht die Nanoarchitektur Wissenschaftlern und Entwicklern, die elektrische Leitfähigkeit eindimensionaler Materialien zu messen, um festzustellen, ob sie für die Entwicklung von Nanodrähten geeignet sind. Mit diesem Ansatz könnten in Zukunft effizientere Nanodrähte entwickelt werden, wobei das ideale Basismaterial für ein Bauelement ermittelt und seine Eigenschaften an die jeweilige Anwendung angepasst werden. Dadurch könnte die Nanoarchitektur zu einem entscheidenden Instrument werden, mit dem sich Schaltkreise im Nanobereich in einem größeren Maßstab als heute realisieren lassen.

Zudem gibt es eine Reihe von Halbleitern, die bestimmte vorteilhafte Eigenschaften aufweisen, deren Bandlücke jedoch für ein bestimmtes Bauelement besser geeignet sein könnte. Darüber hinaus gibt es vollständig leitfähige Materialien wie Graphen, die für bestimmte Anwendungen ein großes Potenzial haben, aber aufgrund der fehlenden Bandlücke nicht geeignet sind. Die Dotierung ist zwar ein gängiger Ansatz, doch inzwischen können verschiedene Halbleitermaterialien mithilfe von nanoarchitektonischen Prinzipien durch Bandgap-Engineering-Methoden hergestellt werden.

Durch die Beeinflussung der Bandlücke von Materialien mittels Nanoarchitekturverfahren – in der Regel durch die Schaffung periodischer Nanostrukturen im Material – können die Entwickler die elektronischen Eigenschaften des Materials in weitaus stärkerem Maße beeinflussen. Neben den direkten Auswirkungen auf die Halbleitermaterialien können mit diesen Ansätzen auch effizientere Mischverbindungen zwischen Halbleitermaterialien und Nanomaterialschichten entwickelt werden. Bei Letzteren sind kleinere Grenzflächen für miniaturisierte Elektronik von Interesse, sodass eine effektivere Optimierung unter Verwendung von Nanomaterialien eine Möglichkeit sein könnte, fortschrittlichere Geräte für zukünftige Technologien zu entwickeln.

Fazit

Bei der Nanoarchitektur handelt es sich um ein technologisches Verfahren, bei dem Materialherstellung und atomare Manipulationsmethoden kombiniert werden, um funktionale und aktive Merkmale im Nanomaßstab in Materialien zu schaffen. Auf diese Weise können deren Eigenschaften und Merkmale wesentlich besser auf eine Anwendung abgestimmt werden als durch konventionelle Fertigungsmethoden allein. In der Nanoarchitektur werden Atome und Moleküle je nach den Anwendungsanforderungen in einer gewünschten Konfiguration angeordnet. Dabei werden Materialien geschaffen, die in der Natur nicht vorkommen, d. h. es handelt sich um vollständig künstlich hergestellte Materialien. Durch die Analyse, Erzeugung und Manipulation von Atomen lassen sich völlig neue, für die jeweilige Anwendung angepasste Materialien herstellen, die in Zukunft in einer Reihe von Technologiebereichen wesentlich effizientere und kleinere elektronische Systeme ermöglichen könnten. Die Verfahren werden bereits in vielen Hightech-Bereichen eingesetzt, aber dieser vielschichtige Ansatz könnte der Schlüssel zu einer stärkeren Nutzung von nanostrukturierten Materialien in weiteren Hightech-Bauelementen sein.