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Einführung in die Nanosystemindustrie

Prof. Dr. habil. Luchinin W.W.

Staatliche Elektrotechnische Universität, St.-Petersburg

In diesem Artikel wird ein systematisches Herangehen an die Nanosystemindustrie als eine vorrangige Richtung der Entwicklung in der Technik und Wissenschaft dargestellt. Weiterhin wird eine Definition von Grundbegriffen, die in der Nanosystemindustrie verwendet werden, gegeben und ihre wissenschaftlich-industrielle Basis und Bildungsbasis mit der Berücksichtigung der Integration in die vorrangige Entwicklungsrichtung in der Wissenschaft, Technik und Technologie bestimmt.

Einführung

In den sozialökonomischen Prioritäten eines Staates soll die Entwicklung von forschungsintensiven Industriezweigen mit einer hohen Stufe des Mehrwertes eine besondere Stelle besetzen. Für die marktführenden Staaten ist momentan die Nanotechnologie zweifellos eine solche Richtung [1, 2]. Ziel dieses Artikels ist ein kurz gefasstes systematisches Herangehen an die „Nanosystemindustrie“, als eine vorrangige Richtung der Entwicklung der Wissenschaft und Technik und als ein Faktor, der die Bedeutung der Hochtechnologien in der Wirtschaft eines Staates erhöht. Dieser Faktor stimuliert die Lösung einer aktuellen Aufgabe Russlands mit hoher sozialen Bedeutung: „Erhaltung von Humankapital“ - als ein Gen-, Kultur- und Technologieerbeträger.

Methodologische Grundlagen der Nanosystemindustrie

In unseren früheren Publikationen [3, 4] wurde bereits erwähnt, dass dem wissenschaftlich-technischen Durchbruch im Nanomassstab, der von den industriell hoch entwickelten Staaten forciert wird, folgendes zugrunde liegt: Verwendung von neuen, vorher nicht bekannten Eigenschaften und Funktionsfähigkeiten von Werkstoffsystemen beim Übergang auf den Nanomassstab. Diese neuartige Eigenschaften und Funktionsfähigkeiten werden von den Besonderheiten der Übertragungs- und Verteilungsprozessen von Ladungen, Energie, Masse und Information bei der Nanostrukturierung bestimmt.

Wir möchten hier einige methodische Aspekte der Definition dieser neuen wissenschaftlich-technischen Richtung darlegen.

Wenden wir uns zu dem wichtigsten Faktor – der geometrischen Abmessungen und der Vorsilbe „nano“, die in einer Reihe der meistverwendeten Definitionen, wie Nanotechnologie, Nanomaterialien und Nanosysteme, in den Publikationen vorkommt.

Zuerst schenken wir unsere Aufmerksamkeit der ursprünglichen Bedeutungen von meist verwendeten Vorsilben, die charakteristische und geometrische Abmessungen der erforschten Objekte identifizieren.

• mikro- (griech. mikros – klein);
• nano- (griech. nannos – Zwerg).

In Bezug auf die Nanosystemindustrie werden die Grenzen des Geometriefaktors hinsichtlich der Entstehung von neuartigen Eigenschaften, die die Makro- und Mikrosystemen nicht besitzen, formal zwischen einigen bis 100 nm festgelegt [5]. Allerdings ist es offensichtlich, dass eine bestimmte charakteristische Abmessung, die das erforschte Objekt nach seinem geometrischen Parameter (Schichtdicke, Cluster- oder Nanorohrdurchmesser) identifiziert, muss nicht einfach als eine absolute Größe, sondern im Bezug auf bestimmte fundamentale Werkstoffparameter betrachtet werden, die eine analoge metrische Dimension besitzen. Es ist besonders schwierig, die Grenzen des Geometriefaktors von bioorganischen Objekten zu bestimmen, die über eine Vielfalt von Verbindungen und Konformationen verfügen. Deshalb ist die Vorsilbe „nano“ eher eine besondere allgemeine Reflektion von erforschten Objekten, prognostizierten Ereignissen, Effekten und ihrer Beschreibungsweise, als eine einfache Längecharakteristik von einem Basisstrukturelement.

Die Notwendigkeit dieser Bemerkung ist folgendermaßen begründet: Leider, sind die Fachbegriffe „Nanomaterialien“ und „Nanotechnologien“ so modisch und „wirtschaftlich attraktiv“ geworden, dass viele traditionelle Erforschungen auf der atomaren und molekularen Ebene künstlich ein „nano“ – Image erworben haben, ebenso wie die bestimmte Konjunktur. Das ist auch sicherlich damit verbunden, dass, wie es im Vorwort des Redakteurs der russischen Übersetzung von einem der ersten in Russland publizierten ausländischen Buch zum Thema Nanotechnologie, eine Systematisierung von Objekten und Prozessen von Nanotechnologie nirgendwo durchgeführt wird.

Mit der Erweiterung und Verallgemeinerung unserer Vorstellung über die Nanosystemindustrie [3, 4] und mit der Analyse von früheren Publikationen [1, 2, 5, 6, 7] wollen wir eine Reihe von Grundbegriffen mit der Vorsilbe „nano“ zur Diskussion stellen. Diese Begriffe spiegeln in vollem Maße gerade die funktionalen Systemeigenschaften und nicht nur einfach reine geometrische Besonderheiten (Parameter) von Objekten.

Nanosystem – ein materielles Objekt in Form von geordneten und selbst geordneten unter einander verbundenen Elementen mit charakteristischen Größen in Nanometerbereich. Die Kooperation von solchen Elementen sichert die Entstehung von neuen Eigenschaften dieses Subjektes, die sich in Form von quantendimensionalen, synergetisch-kooperativen und „gigantischen“ Effekten und anderen Ereignissen und Prozessen in Verbindung mit Nanomassstabsfaktoren in Erscheinung treten.

Nanomaterialien – Werkstoffe und Werkstoffkompositionen, die ein künstlich oder natürlich geordnetes oder ungeordnetes System von Basiselementen mit charakteristischen Größen in Nanometerbereich mit besonderer Erscheinung von physikalischen bzw. chemischen Wechselwirkungen bei der Kooperation von nanodimensionalen Elementen darstellt. Diese Elemente gewährleisten bei den Materialien und Systemen die Entstehung einer Gesamtheit der bisher unbekannten mechanischen, chemischen, elektrophysikalischen, optischen, wärmephysikalischen und anderen Eigenschaften, die durch die Erscheinung der Nanomassstabsfaktoren bestimmt werden.

Nanotechnologie – die Gesamtheit der Methoden und Verfahren zur Synthese, Montage, Struktur- und Formbildung, Aufbringen, Entfernen und Modifikation von Materialien, einschließlich des Systems, bestehend aus Wissen, Fertigkeiten, Fähigkeiten und gerätetechnischer, werkstofftechnischer, metrologischer und informativer Sicherstellung von Prozessen und technologischen Operationen, die auf die Herstellung von Materialien und Systemen mit neuen Eigenschaften gerichtet sind. Diese Eigenschaften werden durch die Erscheinung der Nanomassstabsfaktoren verursacht.

Nanodiagnostik – die Gesamtheit von speziellen Methoden zur Erforschung von strukturellen, morphologisch-topologischen, mechanischen, elektrophysikalischen, optischen und biologischen Charakteristiken von Nanomaterialien und Nanosystemen. Zur Nanodiagnostik gehört auch die Analyse von kleinsten Stoffmengen und Vermessung der Geometrie mit Nanogenauigkeit.

Nanosystemtechnik – die Methodengesamtheit der Modellierung, Projektierung und Konstruierung von Erzeugnissen mit verschiedenen Funktionen, unter anderem auch von Nanomaterialien, Mikro- und Nanosystemen mit breiter Ausnutzung von quantendimensionalen, synergetisch-kooperativen und „gigantischen“ Effekten und anderen Ereignissen und Prozessen, die in den materiellen Objekten mit charakteristischen Abmessungen in Nanometerbereich erscheinen.

Anhand der Definitionen von früher erwähnten Fachbegriffen, deren in erster Linie naturwissenschaftliche Basis zugrunde liegt, versuchen wir die in der Literatur breit angewendeten Termini vorzustellen. Diese Termini lösen eine nicht eindeutige Auffassung aus.

Nanowissenschaft – Wissenssystem, das auf der Beschreibung, Erklärung und Vorhersagung der Eigenschaften von materiellen Objekten mit charakteristischen Abmessungen in Nanometerbereich oder auf der Basis der Nanomassstabselementen geordneten bzw. selbst geordneten Systemen einer höheren metrischen Ebene basiert.

Nanotechnik – Maschinen, Mechanismen, Geräte, Anlagen, Materialien, die mit der Verwendung von neuen Eigenschaften und funktionellen Möglichkeiten der Systeme beim Übergang zum Nanomassstab hergestellt sind. Sie besitzen bis heute unerreichbare Größe, Gewicht und Energiewerte, technisch-wirtschaftliche Parameter und funktionelle Möglichkeiten.

Grundlagen der Nanosystemindustrie

Die Grundlage des Wissenssystems für ein Untersuchungsobjekt besteht aus der Analyse seiner sachmateriellen Basis, Strukturregelung und -stabilität, raumzeitliche Organisation und quantitative und qualitative Erscheinung von traditionellen und früher unbekannten Eigenschaften in Abhängigkeit von Synthese- und Funktionsbedingungen. Als Untersuchungsobjekt wurde im Rahmen dieses Artikels die Gesamtheit von davor vorgestellten Fachbegriffen (Nanomaterialien, Nanotechnologie, Nanodiagnostik, Nanosystemtechnik) ausgewählt. Es wurde ein Versuch unternommen, ein Komplex von ihren funktionalen Besonderheiten, die die Gestalt der „Nanosystemindustrie“ widerspiegeln, hervorzuheben.

Tab. 1. Charakterisierung der „Nanosystemindustrie“

Meist charakteristische Erscheinungen der „Nanowelt“ auch im Vergleich zu konventionellen Objekten mit mikroskopischen charakteristischen Größen sind:

• Erscheinung von unkonventionellen Symmetriearten und von besonderen Arten der Kopplung an der Grenzstellen, Konstellationen mit dynamisch reorganisierbaren Strukturen;
• Dominanz über die Prozesse der künstlichen Regelung von Selbstordnen- und Selbstorganisationserscheinungen, die die Effekten von Matrizenkopieren und Besonderheiten der Synthese unter Ungleichgewichtsbedingungen widerspiegeln;
• Hohe Feldaktivität (elektrisch-magnetisch), und katalytische (chemische) Selektivität der Nanoclusteroberfläche, incl. integrierte Kompositionen der anorganischen und organischen Natur;
• Besonderer Charakter der Übertragungsprozesse von Energie, Ladung und konformativen Veränderungen, die durch einen niedrigen Energieverbrauch und hohe Geschwindigkeit gekennzeichnet sind und Merkmale eines kooperativen synergetischen Prozesses besitzen.

Es ist zu vermuten, dass die Ursachen der Erscheinung von oben genannten Besonderheiten unter den Bedingungen der Nanowelt sind:

• Änderung des Verhältnisses zwischen Oberfläche und Volumen beim Übergang zu Systemen mit Abmessungen im Nanometerbereich;
• Energie-, Feld- und Materieungleichgewicht der Oberfläche, das ein großes Nanopartikelvolumen umfasst;
• Erhöhung der Rolle von verschiedenen Arten der Größeneffekten infolge der beträchtlichen Grenzfläche von Nanokompositionen;

• Erscheinung unkonventioneller Ordnungs-, Energie- und Ladungsübertragungsmechanismen bei den großen Mengen von energetisch aktiven Nanopartikeln;
• Geringe charakteristische Partikelgrößen und ihrer besondere Regelungscharakter, die energetische und räumliche Übertragung von Ladung, Energie und Konformationsveränderungen gewährleisten.

Alles, was bis jetzt genannt wurde, erlaubte eine Reihe von Postulaten aufzustellen, die charakteristische Merkmale und Entwicklungsrichtungen von Nanomaterialien, Nanotechnologien und Nanosysteme bestimmen (s. Tab. 2).

Tab. 2. Hauptpostulate der Nanosystemindustrie

Somit bilden die neuen bisher unbekannten Eigenschaften von Werkstoffen und Kompositionen, die beim Übergang zu den Objekten in Form einer Integration von künstlich und natürlich geordneten Nanosystemen erscheinen, die fundamentale Basis der Nanosystemindustrie. Das ist durch eine besondere Erscheinung von synergetisch-kooperativen Phänomenen und Prozessen, quantendimensionalen und „gigantischen“ Effekten in Nanokompositionen und Nanoclustersystemen bedingt.

Heutzutage kann man, nach unserer Meinung, folgende Forschungsrichtungen als grundlegende Fragen der Nanosystemindustrie hervorheben:

• Molekülsysteme mit geringen Abmessungen, intermolekulare Wechselwirkungen und Molekulardynamik;
• Dimensionale und funktionale Nanopartikeleigenschaften, Konformationen, Phasengrenzen;
• Ungleichgewichtsprozesse und synergetische Erscheinungen in nanostrukturierten Materialen;
• Theorien der Matrizensynthese, Montage, Selbstmontage und Molekularidentifikation für organische und anorganische Stoffe.

Als ein mögliches Herangehen zur Bildung der Nanoindustrieentwicklungskonzeption in Russland mit der Berücksichtigung von vorrangigen Richtungen der Wissenschaft-, Technologie- und Technikentwicklung kann ein Matrizenmodell vorgeschlagen werden. Dieses Modell spiegelt Hauptrichtungen der Nanosystemindustrieentwicklung (Nanomaterialien, Nanotechnologien, Nanodiagnostik, Nanosystemtechnik) durch die Detaillierung und Feststellung der Wechselwirkungen zwischen spezifischen Eigenschaften und Besonderheiten beim Übergang zum Nanomassstab (s. Bild) wider.

Bild. Integration von Prioritätsrichtungen der Wissenschaft-, Technologie- und Technikentwicklung in Bereich der „Industrie der Nanosysteme und Werkstoffen“

Diese Matrizenform kann für die Prognostizierung der kritischen Entwicklungsrichtungen der Nanosystemindustrie mit dem Ziel, die Forschungs- und Entwicklungseffektivität zu erhöhen, und auch für die Integration und Koordination der Arbeit in der Wissenschaft und Produktion dienen.

Betriebs-wissenschaftliche Basis der Nanosystemindustrie

Nanosystemindustrie ist ein integriertes System, das folgende Bestandteile einschließt: Anlagen, Werkstoffe, Software, Wissenssystem, technologische, metrologische, informationstechnische, organisatorisch-wirtschaftliche Kultur and Personalspotential. Sie alle gewährleisten eine forschungsintensive Produktion, die auf der Benutzung von neuen unkonventionellen Werkstoff- und Systemeigenschaften beim Übergang zum Nanomassstab beruht.

In der Tabelle 3 sind, nach unserer Meinung, besonders aktuelle wissenschaftlich-technische Projekte aufgelistet, die die mittelfristige Perspektiven der Nanosystemindustrie im Rahmen ihrer davor betrachteten Entwicklungsrichtungen (s. Tab. 1) bestimmen.

Die Realisierung der in der Tab. 3 aufgelisteten grundlegenden wissenschaftlich-technischen Projekte wird offensichtlich nicht das Problem der Entwicklung der Nanosystemindustrie im Produktionsmassstab lösen, wird aber für Russland folgendes sicherstellen:

• Erhaltung und Entwicklung der inländischen hochtechnologischen Wissenschafts- und Industriepotentialen;
• Erhaltung und Entwicklung des Personalpotentiales, Integration und effektiver Einsatz der hoch qualifizierten Fachkräften;
• Intensivierung der interdisziplinären Forschung und Entwicklung, die wissenschaftlich-technische Durchbrüche in den Hauptrichtungen des wissenschaftlich-technischen Fortschrittes sicherstellen;
• Paritätserhaltung der russischen wissenschaftlich-technischen Kultur im Bereich der Hochtechnologien mit weltweit führenden Staaten.

Bildungsbasis der Nanosystemindustrie

Bei der Organisation und Realisierung der Arbeit im Bereich der Nanosystemindustrie muss mit rein wirtschaftlicher Aufgabenstellung (Erhöhung der Produktionseffektivität auf der Grundlage der progressiven Hochtechnologieentwicklung) zugleich auch die sozialen Aufgaben gelöst werden. Dies ist mit besonderer Rolle des intellektuellen Faktors in der langfristigen Entwicklungsperspektive für Russland, als einen unabhängigen Staat, verbunden.

Tab. 3. Auflistung von wissenschaftlich-technischen Projekten in Bereich der Nanosystemindustrie

Im Arbeitsprogramm wird ein spezieller gut durchdachter methodisch und wirtschaftlich unterstützter Block benötigt, der auf die Erhaltung und Weiterentwicklung des „Humankapitals“ gerichtet ist, als einen der wichtigsten Faktoren zur Versorgung der Wirtschaft mit hoch qualifizierten Fachkräften. Nur Vorhandensein solcher Fachkräfte, die in der Lage sind, das wissenschaftlich-industrielles Potential des Staates zu unterstützen, garantiert die Staatssicherheit und Konkurrenzfähigkeit der einheimischen Produktion für Militär- und Zivilanwendungen.

Im Rahmen der Entwicklung der Bildungsbasis Russlands wurde am 04.06.2003 das Gesetz Nr. 2398 „Experiment zur Gründung von neuen Programmen „Nanotechnologie in der Elektronik“ und „Nanomaterialien“ zur Ausbildung von diplomierten Spezialisten“ verabschiedet. Allerdings existieren einige Faktoren, die die Effektivität dieser Beschlüssen bei der Berücksichtigung der Dynamik und Besonderheiten der Nanosystemindustrieentwicklung verringern:

• Lange Dauer für die Ausbildung der hoch qualifizierten Fachkräften;
• Relative „Steifigkeit“ der Lehrprogramme, die die Fachwissensgebiete der vielfältigen Richtung der Nanosystemindustrie begrenzen;
• Labilität bei der Festlegung der wesentlichen Entwicklungsrichtungen der Nanosystemindustrie.

Im Werden der Nanosystemindustrie, als wissenschaftlich-technischer Richtung, ist die Realisierung des zweistufigen Ausbildungsprozesses „Bachelor-Master“ ein rationelleres Herangehen bezüglich der Schnelligkeit zur Erreichung des Endergebnisses.

Im April 2004 wurde von Bildungsministerium Russlands eine neue Ausbildungsrichtung mit der Nummer 554500 „Nanotechnologie“ festgelegt. Diese basiert auf den Dokumenten, die durch den wissenschaftlich-methodischen Rat der Staatlichen Elektrotechnischen Hochschule, St.-Petersburg für die Hochschulausbildung in den Bereichen: Elektronik, Funk-, Biomedizin- und Automatisierungstechnik vorbereitet wurden.

Die Zweckmäßigkeit der Einführung der zweistufigen Hochschulausbildungssystems für diese schnell entwickelnde Richtung ist bedingt durch:

• Notwendigkeit der Strukturharmonisierung des einheimischen Ausbildungsprozesses in den Grundrichtungen des wissenschaftlich-technischen Progresses mit der Konzeption, die von den meisten entwickelten Ländern im Rahmen der Bologna Deklaration angenommen wurde;
• Objektive Situation in der Entwicklung dieser hochtechnologischen Richtung, die durch die Wissensspeicherungsstufe charakterisiert wird, d.h. in erster Linie die Herausbildung von „Nanowissenschaft“;
• Fehlen, nicht nur in Russland, sondern auch im Ausland, einer endgültigen Konzeption zur Entwicklung der Nanosystemindustrie, als einer Industrie, die sich auf eine konkrete Nomenklatur von Nanowerkstoffen und nanosystemtechnischen Komponenten orientiert.

Zweistufiges Hochschulausbildungssystem „Nanotechnologie“, mit der Berücksichtigung der staatlichen Direktiven, hat eine wesentliche Zustimmung in den russischen Hochschulen gefunden (mehr als 20 Hochschulen nehmen an diesem Experiment teil). Vorübergehende Anforderungen an den Mindestinhalt, Bachelor- und Mastervorbereitungsstufe in dieser Fachrichtung und erste Lehrpläne liegen bereits vor.

Existierende finanzwirtschaftliche und personelle Sicherstellungen zwingen zur Suche nach neuen Wegen der Ausbildungsprozessharmonisierung in der Fachrichtung „Nanotechnologie“ in der Phase der Vorbereitung von Spezialisten (Diplomingenieuren) und Bakkalaurei. Gleichzeitig ermöglicht das zweistufige Ausbildungssystem eine zielgerichtete Orientierung des Ausbildungsprozesses in Rahmen der speziellen Disziplinen mit der Berücksichtigung des Problemfeldes der Fachrichtung, die in den Magisterprogrammen widergespiegelt sind.

Eine Analyse der möglichen Ausbildungsprogramme in der Fachrichtung „Nanotechnologie“ bei der Vorbereitung der technisch orientierten Magister ermöglichte die Auswahl von folgenden Programmen:

• Physik der Nanosysteme;
• Chemie der Nanosysteme;
• Werkstoffkunde der Nanosysteme;
• Nanotechnologische Prozesse;
• Methoden der Nanodiagnostik;
• Nanoelektronik;
• Nanooptik;;
• Nanomechanik;
• Mikro- und Nanoenergiewirtschaft;
• Biomedizinische Nanotechnologien.

Inhaltsangaben von Magisterprogrammen, die in der Arbeit [3] vorgestellt wurden, charakterisieren tatsächlich nicht nur die Fachrichtung zur Ausbildung, sondern auch die reellen Forschungsrichtungen in diesem Bereich.

Ein wesentliches Element der Sicherstellung von Wissenschafts- und Bildungsprozessen nach diesen Programmen ist das Vorhandensein von bereits existierenden oder entwickelnden Hochschulen und moderner wissenschaftlich-technologischen Basis, die sich in den Zentren der kollektiven Nutzung konzentriert sein muss.

Schlussfolgerung

Nanosystemindustrie ist ein integriertes System, das folgende Bestandteile einschließt: Anlagen, Werkstoffe, Software, Wissenssystem, technologische, metrologische, informationstechnische, organisatorisch-wirtschaftliche Kultur and Personalspotential. Sie alle gewährleisten forschungsintensive Produktion, die auf der Benutzung von neuen unkonventionellen Werkstoff- und Systemeigenschaften beim Übergang zum Nanomaßstab beruht.

Nanosystemindustrie initiiert einen wissenschaftlich-technischen Durchbruch in hochtechnologischen Industriebereichen, Wissenschaft, Bildung, Militärproduktion und Dienstleistungsbereich durch eine breite Anwendung von früher unerreichten Abmessungen, energetischen Kennwerten, technisch-wissenschaftlichen Parametern und funktionellen Möglichkeiten.

Nanosystemindustrie kann zu der hochtechnologischen Produktion mit hohem Mehrwert zugeschrieben werden, die sich im Wesentlichen auf den Investitionen in das „Humankapital“ stützt.

Literatur

[1] Rocco M.K., Williams R.S., Alivisatos P.: “Nanotechnologie im nächsten Jahrzehnt”, Verlag Mir, Moskau, 2002

[2] Alferov Z.I., Aseev A.L., Gaponov S.W., Koptev P.S., Panov W.I., Poltorazkij E.A., Sibeldin N.N., Suris R.A.: “Nanowerkstoffe und Nanotechnologien”, Fachzeitschrift Mikrosystemtechnik, 2003, Nr. 8, S. 3-13

[3] Luchinin W.W.: „Nanoindustrie – Basis für neue Wirtschaft“, Fachzeitschrift Petersburger Zeitschrift für Elektronik, 2003, Nr. 3, S. 3-12

[4] Luchinin W.W., Tairov U.M.: „Wissenschafts- und Bildungsbasis der Nanosystemindustrie an der Staatlichen Elektrotechnisch Universität, St.-Petersburg“, Hochschulnachrichten – Werkstoffe der Elektronik, 2003, Nr. 2, S. 15-20

[5] Alfimov S.M., Bykov W.A., Grebennikov E.N., Zeludeva S.I., Malzev P.P., Petrunin W.F., Chaplygin U.A.: „Entwicklung der Arbeiten im Bereich der Nanotechnologie in Russland“, Fachzeitschrift Mikrosystemtechnik, 2004, Nr. 8, S. 2-8

[6] Poole C., Owens F.: „Nanotechnologie“, Verlag Technosphera, Moskau, 2004, S. 15

[7] Shevchenko W.J.: „Terminologie: Nanopertikel, Nanosysteme, Nanokompositen, Nanotechnologien“, Fachzeitschrift Mikrosystemtechnik, 2004, Nr. 9, S. 2-4