Kontrollierte Selbstorganisation für zukünftige technische Anwendungen PDF-Datei

145 Pages·2005·6.98 MB·German

Kontrollierte Selbstorganisation für
zukünftige technische Anwendungen

Fachgespräch, Analyse, Ausblick

Heinz Eickenbusch

Andreas Hoffknecht

Dirk Holtmannspötter

Dietmar Wechsler

Herausgeber:
Zukünftige Technologien Consulting
der VDI Technologiezentrum GmbH
Graf-Recke-Str. 84
40239 Düsseldorf

im Auftrag und mit Unterstützung des

Bundesministerium für Bildung und Forschung
Diese Technologieanalyse entstand im Rahmen des Vorhabens ”Technologiefrüherken-
nung für das Bundesministerium für Bildung und Forschung” (Förderkennzeichen NT
2113A) der Abteilung Zukünftige Technologien Consulting der VDI Technologiezent-
rum GmbH im Auftrag und mit Unterstützung des Bundesministerium für Bildung und
Forschung (BMBF), Referat 513. Das BMBF war an der Abfassung der Aufgabenstel-
lung und der wesentlichen Randbedingungen beteiligt. Das BMBF hat das Ergebnis der
Studie nicht beeinflusst; der Auftragnehmer trägt allein die Verantwortung.

Projektleitung: Dr. Dr. Axel Zweck
Durchführung: Dr. Heinz Eickenbusch
Dr. Andreas Hoffknecht
Dr. Dirk Holtmannspötter
Dr. Dr. Dietmar Wechsler

Dank gilt den Teilnehmern des Fachgespräches, all jenen, die Beiträge zur interaktiven
Internetseite geliefert haben und allen anderen Experten, die wertvolle Anregungen ge-
geben haben.

Zukünftige Technologien Nr. 55
Düsseldorf, im Oktober 2004
ISSN 1436-5928

Für den Inhalt zeichnen die Autoren verantwortlich. Die geäußerten Auffassungen
stimmen nicht unbedingt mit der Meinung des Bundesministerium für Bildung und For-
schung überein.

Außerhalb der mit dem Auftraggeber vertraglich vereinbarten Nutzungsrechte sind alle
Rechte vorbehalten, auch die des auszugsweisen Nachdruckes, der auszugsweisen oder
vollständigen photomechanischen Wiedergabe (Photokopie, Mikrokopie) und das der
Übersetzung.

Titelbild:
Oben links: Prinzip des Fluidic Self Assembling zur Montage mesoskopischer Bauele-
mente (vgl. S. 88).
Oben rechts: Exakte Positionierung selbstorganisierter Quantenpunkte durch lithogra-
phische Vorstrukturierung (O. G. Schmidt, vgl. S. 58).
Unten: Selbstorganisiertes Netzwerk von Nervenzellen (A. Offenhäuser, vgl. S. 71).
Zukünftige Technologien Consulting (ZTC)
der VDI Technologiezentrum GmbH

Graf-Recke-Straße 84
40239 Düsseldorf

Die VDI Technologiezentrum GmbH ist im Auftrag und mit Unterstützung des
Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) tätig.

Vorwort

Gerade für Deutschland als rohstoffarmes Land und Exporteur veredelter Produkte ist
die Fähigkeit, technologische Innovationen frühzeitig einzuführen, eine der wichtigsten
Voraussetzungen für eine nachhaltige Zukunftssicherung.
Mit der Technologiefrüherkennung hat die Abteilung Zukünftige Technologien Consul-
ting (ZTC) der VDI Technologiezentrum GmbH (VDI TZ) daher ein Instrumentarium
entwickelt, mit dem sich innovative Technologieansätze zu einem Zeitpunkt identifizie-
ren lassen, wenn Einschätzungen über ihre Chancen und Potenziale möglich und belast-
bar sind.
Ziel der Technologiefrüherkennung für das Bundesministerium für Bildung und For-
schung (BMBF) ist es, Handlungsbedarf zu ermitteln und das BMBF und seine Projekt-
träger bei der Umsetzung zu unterstützen. Gerade in Zeiten knapper werdender Finanz-
mittel kann die Technologiefrüherkennung beitragen, durch gezielte Schwerpunktset-
zung die Effizienz der Projektförderung des Bundesministerium für Bildung und For-
schung (BMBF) zu steigern und eine zügige wirtschaftliche Verwertung zu ermögli-
chen.
Ein Beispiel für eine solche innovative Technologie, die „kontrollierte Selbstorganisati-
on“, wird in dem vorliegenden Band analysiert. In der Natur spielen Selbstorganisati-
onsphänomene in der Strukturbildung eine wesentliche Rolle. Die technische Nutzung
der Selbstorganisation steckt zwar noch in den Kinderschuhen, ist aber keine Utopie
mehr. Von der Vision eines Pentium-Prozessors, der sich nach dem Zusammenschütten
geeigneter Ingredienzien im Reagenzglas selbständig bildet, sind wir noch für lange Zeit
meilenweit entfernt. Die Nutzung der „kontrollierten Selbstorganisation“ in Teilschrit-
ten von Strukturierungs- und Herstellungsprozessen aber ist bereits greifbar.
Der vorliegende Band schlägt als Strategie, um einerseits Teilaspekte schnell einer wirt-
schaftlichen Verwertung zuzuführen, andererseits dem gesamten Feld wichtige Impulse
zu geben, eine Fokussierung auf fünf Kristallisationskeime vor. Diese umfassen mit
Biologie, Chemie und Physik zugleich jene drei wissenschaftlichen Disziplinen, die
dem Feld wichtige Impulse geben werden. Quer zu dieser disziplinorientierten Perspek-
tive liegen die beiden prozessorientierten Kristallisationskeime „Hybride Strukturie-
rungsverfahren“ und „Montage mesoskopischer Bauelemente“. Ein solcher Wechsel der
Perspektive führt zwar zu inhaltlichen Überschneidungen, unterstützt aber das Aus-
schöpfen möglicher Synergiepotenziale.
Dr. Dr. Axel Zweck
Leiter Zukünftige Technologien Consulting der VDI Technologiezentrum GmbH

Inhaltsverzeichnis

1 EINLEITUNG 1
2 VORTRÄGE 5
2.1 Motivation und Herausforderung der Selbstorganisation 5
H. Fuchs (Universität Münster)
2.2 Prinzipien der Selbstorganisation 9
E. Schöll (TU Berlin)
2.3 Design selbstorganisierender Systeme 15
- Beispiele und Algorithmen
M. Greiner (Siemens AG)
2.4 Selbstorganisierende Polymere zur Nanostrukturierung von 18
Materialien
S. Förster (Universität Hamburg)
2.5 Functional bioconjugates from nucleic acids and proteins: 22
Syntheses and Applications
C. M. Niemeyer (Universität Dortmund)
2.6 Selbstorganisierte Halbleiterquantenpunkte für 26
die Optoelektronik
A. Forchel (Universität Würzburg)
2.7 Strukturelle Ordnung funktionaler Moleküle für elektronische 30
und optische Anwendungen
M. Sokolowski (Universität Bonn)
2.8 Beiträge der Nanotechnologie zur Erhöhung von Funktionalität 34
und Dichte in der Elektronik
W. Prost (Universität Duisburg-Essen)
2.9 Aspekte der Selbstorganisation bei der Herstellung von 41
optischen und optoelektronischen Nanopartikel-Bauelementen
J. Feldmann (Universität München)
2.10 Self-Assembly von Systemkomponenten: Self Assembly- 45
Prozesse als Technologie, mit kleinsten Chips umzugehen?
K. Bock (Fraunhofer-IZM Berlin)
2.11 Herstellung inverser Opale durch Selbstorganisation 50
Dr. H. Winkler (Merck KgaA)
2.12 Exakte Positionierung von selbstorganisierten Halbleiter- 55
Nanostrukturen
O. G. Schmidt (MPI f. Festkörperforschung, Stuttgart)
2.13 Templatgesteuerte Metallclustersynthese auf selbst- 61
assemblierten S-Layern: Perspektiven in der Nanotechnologie
A. Kirchner (TU Dresden)
2.14 Pharmazeutische Anwendungen kontrollierter 65
Selbstorganisation: Drug Delivery und Tissue Engineering
C.-M. Lehr (Universität Saarland)
2.15 Kontrollierte Erzeugung von Nervennetzwerken für die 69
Herstellung neuroelektronischer Schaltkreise
A. Offenhäusser (FZ Jülich)
3 KRISTALLISATIONSKEIME 73
3.1 Hybride Strukturierungsverfahren 74
3.2 Montage mesoskopischer Bauelemente 83
3.3 Selbstorganisation von Quantenpunkten und Nanokristallen 93
3.4 Selbstorganisation von Blockcopolymeren 102
3.5 Biofunktionale Erkennung für neuartige Konstruktions- 110
und Produktionsverfahren
3.6 Literaturverzeichnis 118
4 ZUSAMMENFASSSUNG UND AUSBLICK 125
ANHANG: TAGESORDNUNG DES FACHGESPRÄCHS 129
ANHANG: TEILNEHMERLISTE DES FACHGESPRÄCHS 131
1
1 EINLEITUNG

Selbstorganisation ist eines der Grundprinzipien für Strukturbildung und Die Natur als
Vorbild
Wachstum in der Natur. Selbstorganisation basiert darauf, dass sich ein-
zelne Bausteine zu wohlgeordneten, funktionierenden Einheiten zusam-
menfügen. Die Bausteine können Atome, Moleküle, Molekülverbände,
Partikel oder auch komplexere Gebilde, wie Zellen sein. Verantwortlich
für den Ordnungsprozess sind die Wechselwirkungen zwischen den Bau-
steinen.
Wissenschaftler versuchen, die universellen Gesetzmäßigkeiten, die der
Entstehung komplexer Muster und Systeme aus einfachen Bausteinen zu
Grunde liegen, zu verstehen und für technische Systeme nutzbar zu ma-
chen. Die kontrollierte Nutzung von Selbstorganisationsphänomenen für
die Anordnung technischer, materieller Systeme wird in der englisch-
sprachigen Literatur „self-assembling“ oder auch „directed-assembling“
genannt. Neben dieser materiellen Selbstorganisation wird auch die Nut-
zung der Selbstorganisation in raum-zeitlichen dynamischen Systemen
für technologische Anwendungen diskutiert (vgl. Kapitel 2.2). Eine erste
Einführung in die Gesamtthematik findet sich in [Eickenbusch, 2003]
und insbesondere in der dort angegebenen Literatur.
Im Rahmen unserer Technologiefrüherkennungsaktivitäten ist uns die Warum ist die
technische Nut-
mögliche Bedeutung einer technischen Nutzung von Selbstorganisations-
zung von Selbst-
phänomenen sowohl durch das kontinuierliche Monitoring, als auch bei organisationsphä-
der Bewertung verschiedener Technologien aufgefallen. So wurde bei der nomenen ein
Thema?
Analyse der Molekularelektronik im Jahr 2001 offensichtlich, dass der
Schritt von der Demonstration einzelner Bauelemente zu einem moleku-
laren Computer nur über eine Nutzung von Selbstorganisationsphänome-
nen zu realisieren ist [Hoffknecht, 2002]. Mitte 2002 kam die Technolo-
gieanalyse „Nanobiotechnologie I: Grundlagen und Anwendungen mole-
kularer, funktionaler Biosysteme“ zu der Schlussfolgerung, dass ein „ei-
genständiges, klar strukturiertes und zielgerichtetes Forschungspro-
gramm für die fächerübergreifende Technologie der Selbstorganisation ...
einen entscheidenden Schritt in Richtung anwendungsbezogener Produk-
tionsverfahren vor allem für nanoskalige Strukturen darstellen“ könnte
[Wechsler, 2002].
Wir haben daher begonnen, die Potenziale für eine technologische An-
Analyse der
wendung der kontrollierten Selbstorganisation systematisch zu analysie- Anwendungs-
potenziale
ren und zu bewerten:
Welche konkreten technischen Anwendungsmöglichkeiten bestehen
-
für kontrollierte Selbstorganisationsprozesse?
Bestehen derzeit Hemmnisse für die Realisierung dieser Anwendun-
-
gen? Welche Lösungsansätze werden untersucht?