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There are many problems the human race has to face. Energy, resources, waste, cancer - just to name a few. Scientists are working hard to find new creative approaches to these problems. One of these solutions is to think in very small units. The result lies at the intersection of physics, engineering, chemistry and biology. Nanotechnology has tremendous potential.

Nanotechnology is the idea that we can create devices and machines all the way down to the nanometer scale, which is a billionth of a meter, about half the width of a human DNA molecule.
-Paul McEuen

Today I want to start a new series about nanotechnology. Every Monday I will write about how nanotechnology has impacted one area of science. Today´s post will be about nanotechnology in general, what it is, where it came from, etc.

What Is Nanotechnology?

Quite simple, nanotechnology is science performed on the nanoscale (1). Let´s take something that is quite common, something everybody knows: a sheet of paper. Sure, it has a lot of surface area, but it is very thin. What do you see if you turn the paper so that you can see it´s edges lined up with each other? It is very thin. In fact, it is so thin that for all practical purposes it may be regarded as only 2 dimensional. However, if we think nano here, a sheet of paper is huge. The thickness of a piece of printing paper is roughly 0.1mm. To convert that to nanometers, take that times ten. And then times ten again, and again ... until you did that six times. Suddenly our very thin piece of paper has gotten a lot bigger.

Paper under a microscope - Source

Not only can we make very small objects be really big, we can also increase the surface area tremendously. Take a cube that is 1cm x 1cm. x 1cm. It has a surface area of 6 square centimeter. Split the cube in halves and you have two cubes that are smaller in volume with a total surface area of 8 square centimeters. This can be repeated very often resulting in an improved surface to volume ratio. This is interesting for catalysis and chemical reactions. Apart from gaining more size by using a much smaller scale and improving surface/volume ratios, nanomaterials have interesting properties that may help to develop new macro-materials and devices (2).

One interesting example is gold. In it´s macro form gold is a golden metal. However, if we break gold into nanoparticles we get a new substance with new characteristics. This example can be expanded to other metals like silver. We are finding more and more interesting nanomaterials with surprising characteristics. Just to name a few, we are now using nanocrystals of cellulose to produce aerogels and we can create quantum dots which greatly improve the quality of screens. Nanotechnology has the chance to greatly improve the quality of our lives. The possible applications range from organ transplantation and precise drug delivery to new batteries with increased lifetimes, improved crops production to flexible screens.

Where Does Nanotechnology Come From?

The earliest nanomaterials used were colloidal gold particles. An impressive example is the Licurg’s bowl. It can change it´s color depending on the light source, which is due to the gold nanoparticles.
Nanotechnology is a relatively young field. The concept of nanotechnology was probably introduced by Nobel prize winner Richard Feynman. In 1959 he gave a famous lecture at the American Physical Society in which he stated "There is plenty of room at the bottom" . In 1985 the first famous nanomaterial was developed, the "bucky ball" . This funny sounding material consists of 60 carbon atoms that are shaped like a soccer ball and it´s inventors were awarded the Nobel prize 11 years after they discovered it.

Don Eigler and Erhard Schweizer mamaged to arranged 35 individual Xenon atoms to read "IBM" in 1989, demonstrating the capability of modern technology to manipulate materials at the atomic level . The next significant discovery was that of carbon nanotubes. Sumio Iijima is reckognized as the discoverer in 1991 . The 90s were an important time in the development of nanotechnology as the first nanotech companies were started. In 1993 Moungi Bawendi invented a method to synthesize nanocrystals in a controlled manner, which helped to yield their economic potential. Nanotechnology is still not anywhere near to fulfilling its potential. We are still only developing methods and instruments that help us to unleash nanotechnology. The history of nanotechnology is not nearly as impressive as its possible future.

Sources:
History of nanotechnology on Wikipedia
History of nanotechnology in Nanoscience And Nanotechnologies
Nanotechnology Timeline on Nano.gov
Nanotechnology: History and future in Human and Experimental Toxicology

I want to recommend a video to you. It is a TED talk given by Wade Adams from Rice University. He worked together with the people who invented the bucky ball and is a very good speaker. He offers some perspectives on nanotechnologies.

Wade Adams during his TED talk - Source

This was my introduction post to this series. I hope you enjoyed it. I will add a new post every Monday, writing about the impact on nanotechnology on a specific area of science.

Shameless Self-Advertisement

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:::::::::::::::::::: Deutsche Version ::::::::::::::::::::

Nanotechnologie #1 - Einleitung In Die Nanotechnologie

Es gibt viele Probleme, denen sich die Menschheit stellen muss. Energie, Ressourcen, Abfall, Krebs - um nur einige zu nennen. Wissenschaftler arbeiten intensiv daran, neue kreative Ansätze für diese Probleme zu finden. Eine dieser Lösungen besteht darin, in sehr kleinen Einheiten zu denken. Das Ergebnis liegt an der Schnittstelle von Physik, Technik, Chemie und Biologie. Die Nanotechnologie hat ein enormes Potenzial.

Nanotechnologie ist die Idee dass wir Maschinen und Geräte entwickeln können die den ganzen Weg bis zur Nanometer Einheit hinunter gehen, was ein Millardenstel eines Meters, und ungefähr die halbe Breite eines menschlischen DNS Moleküls ist.
-Paul McEuen

Heute möchte ich eine neue Serie über Nanotechnologie starten. Ich werde jeden Montag über einen Aspekt der Wissenschaft schreiben der von Nanotechnologie grundlegend verändert wird. Der heute Post soll als eine Einleitung in Nanotechnologie dienen - wie diese entstant und was genau diese ist.

Was Ist Nanotechnologie?

Dies ist ziemlich einfach zu beantworten. Nanotechnologie ist eine Wissenschaft, die im Nanobereich durchgeführt wird (1). Nehmen wir etwas das ziemlich üblich ist, etwas, das jeder kennt: ein Blatt Papier. Sicher, es hat eine große Oberfläche, aber es ist sehr dünn. Was siehst du, wenn du das Papier drehst, so dass die Kanten sich überdecken? Es ist sehr dünn. Tatsächlich ist es so dünn, dass es für alle praktischen Zwecke als nur zweidimensional angesehen werden kann. Aber wenn wir Nano denken, ist ein Blatt Papier riesig. Die Dicke eines Druckpapierstücks beträgt ungefähr 0,1 mm. Um das in Nanometer zu konvertieren, nimm das mal zehn. Und dann wieder mal zehn, und wieder ... bis du das sechsmal gemacht hast. Plötzlich ist unser sehr dünnes Stück Papier viel größer geworden.

Papier unter einem Mikroskop - Source

Wir können nicht nur sehr kleine Objekte sehr groß machen, sondern auch die Oberfläche enorm vergrößern. Nimm einen Würfel, der 1 cm x 1 cm x 1 cm groß ist. Er hat eine Fläche von 6 Quadratzentimeter. Teilt nun den Würfel in zwei Hälften und ihr habt zwei Würfel mit einem kleineren Volumen mit einer Gesamtoberfläche von 8 Quadratzentimetern. Dies kann sehr oft wiederholt werden, was zu einem verbesserten Verhältnis von Oberfläche zu Volumen führt. Dies ist interessant für die Katalyse und chemische Reaktionen. Abgesehen davon dass Nanomaterialien durch die Verwendung eines viel kleineren Maßstabs und die Verbesserung des Oberfläche / Volumen Verhältnissess eine größerer scheinen, haben sie interessante Eigenschaften die bei der Entwicklung neuer Makromaterialien helfen können (2).

Ein interessantes Beispiel ist Gold. In seiner Makroform ist Gold ein goldenes Metall. Wenn wir jedoch Gold zu Nanopartikeln zerbrechen, erhalten wir eine neue Substanz mit neuen Eigenschaften. Dieses Beispiel kann auf andere Metalle wie Silber ausgeweitet werden. Wir finden immer mehr interessante Nanomaterialien mit überraschenden Eigenschaften. Um nur einige zu nennen, verwenden wir jetzt Nanokristalle aus Zellulose, um Aerogele herzustellen, und wir können Quantenpunkte erzeugen, die die Qualität von Bildschirmen erheblich verbessern. Die Nanotechnologie hat die Chance, die Qualität unseres Lebens erheblich zu verbessern. Die möglichen Anwendungen reichen von der Organtransplantation und der präzisen Wirkstoffabgabe bis hin zu neuen Batterien mit verlängerter Lebensdauer, verbesserter Pflanzenproduktion und flexiblen Bildschirmen.

Wo Kommt Nanotechnologie Her?

Die frühesten verwendeten Nanomaterialien waren kolloidale Goldpartikel. Ein eindrucksvolles Beispiel ist die Licurg-Schale. Sie kann ihre Farbe abhängig von der Lichtquelle ändern, was auf die Goldnanopartikel zurückzuführen ist.
Die Nanotechnologie ist ein relativ junges Gebiet. Das Konzept der Nanotechnologie wurde wahrscheinlich von Nobelpreisträger Richard Feynman eingeführt. 1959 hielt er einen berühmten Vortrag bei der American Physical Society, in der er sagte: "Es gibt viel Platz am unteren Ende". 1985 wurde das erste berühmte Nanomaterial entwickelt, der "Bucky Ball". Dieses lustig klingende Material besteht aus 60 Kohlenstoffatomen, die wie ein Fußball geformt sind. Die Erfinder erhielten 11 Jahre nach ihrer Entdeckung den Nobelpreis. Auch heute noch wird versuch Bucky Balls in großen Mengen herzustellen, allerdings mit recht wenig Erfolg.

Don Eigler und Erhard Schweizer arangierten 1989 35 individuelle Xenon-Atome in die Form des "IBM" Logos, was die Fähigkeit der modernen Technologie demonstriert Materialien auf atomarer Ebene zu manipulieren. Die nächste bedeutende Entdeckung war die von Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Sumio Iijima wird deren Entdeckung in 1991 angerechnet. Die 90er Jahre waren eine wichtige Zeit in der Entwicklung der Nanotechnologie, als die ersten Nanotech-Unternehmen gegründet wurden. Im Jahr 1993 erfand Moungi Bawendi eine Methode mit der Nanokristalle kontrolliert synthetisiert werden konnten, wodurch ihr wirtschaftliches Potenzial gefördert wurde. Die Nanotechnologie ist noch weit davon entfernt ihr Potenzial auszuschöpfen. Wir entwickeln immer noch nur Methoden und Instrumente, die uns helfen, Nanotechnologie zu verstehen und zu nutzen. Die Geschichte der Nanotechnologie ist nicht annähernd so beeindruckend wie ihre mögliche Zukunft.

Quellen:
Geschichte der Nanotechnologie auf Wikipedia
Geschichte der Nanotechnologie in Nanoscience And Nanotechnologies
Nanotechnologie Zeitlinie auf Nano.gov
Nanotechnologie: Geschichte und Zukunft in Human and Experimental Toxicology

Ich möchte euch ein Video empfehlen. Es ist ein TED-Vortrag von Wade Adams von der Rice University. Er arbeitete mit den Leuten zusammen die den Bucky Ball erfunden haben und ist ein sehr guter Redner. Er bietet einige interessante Perspektiven auf Nanotechnologien.

Wade Adams during his TED talk - Source

Dies war meine Einleitung in diese Serie. Ich hoffe sie hat euch gefallen. Wie gesagt, ich werde jeden Montag einen neuen Beitrag darüber schreiben wie Nanotechnologie die Wissenschaft revolutioniert.

Scharmlose Eigenwerbung

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Eine kleine Entschuldigung an dieser Stelle. Ich finde dass sich mein Deutsch ein wenig merkwürdig anhört. Dass liegt daran dass ich seit 4 Jahren in den USA lebe und den ganzen Tag nur Englisch spreche. Einige englische Satzstrukturen schleichen sich gerne in meine deutschen Sätze. Ich hoffe das wird mit der Zeit ein wenig besser.

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Cheers @lesshorrible!