Verschiedene Forschungsgebiete

Nanotechnologie und Werkstoffe

Die Nanotechnologie befasst sich mit der Erzeugung neuer, herausragender Werkstoffeigenschaften durch die Manipulation von Atomen, Molekülen sowie Materialzusammensetzungen und -strukturen in der Größenordnung von Nanometern (ein Nanometer = ein Milliardstes von einem Meter) erzeugt. Die Nanotechnologie hat viele neue Elemente und Werkstoffe sowie auch neue wissenschaftliche Erkenntnisse hervorgebracht, die zu Innovationen auf vielen Gebieten wie der Informationstechnologie, der Geräteentwicklung oder der Medizin geführt haben. Die Nanotechnologie wird als Hauptquelle der gesamten Wissenschaft und Technologie angesehen.

Mit der Technologie zur Herstellung von LSI's (Large-Scale Integration Circuits = "Riesenprozessoren") und der Entdeckung und Entwicklung der Kohlenstoffnanoröhren (Carbon-nanotubes) hat Japan eine führende Rolle im Bereich der Nanotechnologie eingenommen. Das National Institute for Materials Science (NIMS) und das Institute for Materials Research (IMR) der Tohoku University haben bedeutende Forschungsarbeit geleistet. Mit der kontinuierlichen, intensiven Förderung von Forschung und Entwicklung u.a. zur Klärung von Phänomenen und Funktionen der Atome und Moleküle sowie in der Materialwissenschaft und der Technologie möchte Japan seine Spitzenposition in der Nanotechnologie weiterhin beibehalten.


 

 

Kohlenstoffnanoröhre
mit einem Durchmesser
von 0,4 nm

Entdeckung und Entwicklung der Kohlenstoffnanoröhren durch Prof. Sumio Iijima

Die Kohlenstoffnanoröhre besteht aus Gebilden von Kohlenstoffatomen, die sowohl metallische als auch halbleiterartige Eigenschaften haben können. Sie zieht als hochfestes Material, Mikrostruktur, Leiter für mikroelektronische Geräte und als Elektrode für neuartige TV-Flachbildschirme usw. die Aufmerksamkeit auf sich.

Prof. Sumio Iijima, Meijo University (und Mitarbeiter der NEC Corporation) entdeckte diese Kohlenstoffröhre 1991 und entwickelte darüber hinaus bei dem japanisch-französischen Forschungsprojekt "JST-ICORP Nanotubulite Project" in Zusammenarbeit mit Prof. Christian Colliex vom Laboratoire AIME COTTON, CNRS, eine Nanoröhre, die mit einem Durchmesser von 0,4 Nanometern (nm) die feinste unter den einschichtigen Kohlenstoffnanoröhren mit metallischen Charakteristika ist und auch an der Luft stabil fortbestehen kann.Der Durchmesser von 0,4 nm ist so klein wie ein zwölfflächiges Kohlenstoffmolekül und Nanoröhren mit kleineren Durchmessern, die an der Luft eine stabile Struktur behalten können, sind kaum vorstellbar.
(Quelle: Japan Science and Technology Corporation (JST), Oktober 2000)



Prof. Jun Akimitsu entdeckt neuen metallischen Hochtemperatur-Supraleiter

Prof. Jun Akimitsu von der Aoyama Gakuin University verblüffte die wissenschaftliche Welt im Februar 2001 mit der Entdeckung eines neuen Magnesiumdiborid Supraleiters. Er besitzt die Fähigkeit im Vergleich zu bisherigen metallischen Supraleitern bei fast doppelt so hoher Temperatur der Kelvin-Skala den Strom verlustlos zu leiten.

Die metallische Verbindung Magnesiumdiborid (MgB 2) hat eine Übergangstemperatur - die Temperatur, bei der Materialien ihre Fähigkeit verlieren, den Strom verlustlos zu leiten - von 39 Kelvin (- 34° C). Bislang lag der Übergangswert von metallischen Supraleitern bei 23 Kelvin.

Oxid, das am häufigsten gebrauchte supraleitende Material, hat zwar eine Übergangstemperatur von bis zu 150K (- 123° C), es ist jedoch einfacher und billiger, Magnesiumdiborid in Kabeln und andere Teilen zu verarbeiten.

Mit Hilfe von Magnesiumdiborid könnten zu niedrigen Entwicklungskosten Hochleistungsgeneratoren gebaut werden, Strom ohne Einbußen aufbewahrt werden sowie Autos mit Linearmotoren und ultraschnelle Computer bald Wirklichkeit werden. Die Entdeckung bietet viele Möglichkeiten auf andere metallische Materialien und evtl. auch auf noch höhere Übergangstemperaturen zu stoßen.



Steigende Investitionen in die Nanotechnologie

Die Nanotechnologie, die ursprünglich bei der Verkleinerung von Halbleitern für Aufsehen sorgte, findet nun auch in anderen Bereichen immer häufiger Verwendung. Erwartet wird ein zukünftiger Marktanteil von mehr als 20 Bio. Yen (ca. 150 Mrd. Euro) und die materialverarbeitende Industrie erhöht ihre Investitionen in diese Technologie.

Von den Fullerenen, einer Art des wohl bekanntesten Nanomaterials Nano-Carbon, dem ungeahnte Möglichkeiten nachgesagt werden, erhofft man sich praktische Anwendungsmöglichkeiten. Fullerene besitzen einen Durchmesser von einem Nanometer, sind wasserlöslich und aktivieren unter Lichteinstrahlung Sauerstoff. Man geht davon aus, dass in mit Fullerenen versetzten Krebszellen durch die unter Lichteinfluss erfolgende Sauerstoffaktivierung umliegende Krebszellen abgetötet werden. Fullerene sind außerdem sehr hitzebeständig und, in kleinen Mengen beigemischt, lässt sich ein Harz produzieren, das auch bei über 300° C formbeständig bleibt.

Das weltweit erste Unternehmen, das bei der Massenproduktion von Fullerenen erfolgreich war, ist die Frontier Carbon Corp., ein Jointventure der Mitsubishi Chemical Corp. und der Mitsubishi Corp. Das Unternehmen nahm im Mai 2003 in Kitakyushu eine Herstellungsanlage mit einer Produktionsmenge von 40 Tonnen in Betrieb. 2007 soll die Produktionsmenge auf 1500 Tonnen ansteigen. Problematisch sind noch die hohen Herstellungskosten von 5.000 - 10.000 Yen (37 - 47 Euro) pro Gramm, die sich voraussichtlich aber auf 20 - 30 Yen (0,15 - 0,22 Euro) senken lassen. Das Patent für die kommerzielle Produktion und den Verkauf von Fullerenen läuft 2009 aus, und Frontier Carbon will diese Zeit nutzen, um die Forschung für einen praktischen Einsatz voranzutreiben.

Ebenfalls interessant sind die schlauchförmigen Nano-Carbon-Röhren mit einem Durchmesser von einigen Nanometern. Sie sind härter als Eisen und leiten Strom besser als Kupfer. Man erhofft sich durch ihren erfolgreichen Einsatz in Fernsehgeräten, Computern etc. die Anfertigung von flacheren und stromsparenderen Geräten. Das Unternehmen Toray ist bei der Massenproduktion dieser Nano-Carbon-Röhren erfolgreich und plant 2004 die Inbetriebnahme einer Anlage mit einer Produktionsmenge von mehreren Tonnen pro Jahr.

Der um einiges dickere Stoff Karbonfiber hat die gleiche Beschaffenheit und wird gegenwärtig als Zusatzstoff verwendet, um den Verfall von Batterien zu verhindern. Das Unternehmen Showa Denko hat für November 2003 in Zusammenarbeit mit dem Nano-Carbon-Spezialisten Morinobu Endo von der Shinshu University die Gründung eines Venture-Unternehmens geplant, welches neue Verwendungsmöglichkeiten erschließen soll.

Die Firma Teijin begann im Juli mit der Produktion der Textilart ?Morphotex', bei der einige Nanometer dicke Schichten von Polyester und Nylon abwechselnd übereinander gelegt werden. Dieses farblose, durchsichtige Textilmaterial gibt durch die Differenz bei der Lichtbrechung die Farben Blau, Rot, Gelb und Pink wieder.

Das Unternehmen Terumo entwickelt derzeit künstliche rote Blutkörperchen, die Hämoglobin enthalten, welches in Kapseln mit einem Durchmesser von 200 Nanometern Sauerstoff transportiert.

In der für das 21. Jahrhundert grundlegenden Nanotechnologie gilt Japan insbesondere bei der Forschung und Entwicklung im Bereich der Nanomaterialien als weltweit führende Nation. In den westlichen Ländern sowie in Asien gewinnt die Nanotechnologie jedoch ebenfalls immer mehr an Bedeutung. Die japanische Regierung unterstützt den Nanobereich mit F+E-Mitteln in Höhe von 260 Mrd. Yen (1,9 Mrd. Euro) innerhalb von drei Jahren. In Industriekreisen entstehen in diesem Bereich auch immer häufiger Unternehmenskooperationen.
(Quelle: Asahi 27.10.2003)