Wie funktioniert Nanotechnologie?

[Lichtbringer]

Hallo Leute, ich bin neu in diesem Forum und habe mir mal die aktuellen Themen durchgelesen. Ich war sehr erfreut, ein Thema zur Nanotechnologie zu finden, denn ich arbeite in diesem Gebiet. Leider weiß offenbar keiner der Gesprächsteilnehmer, wie Nanotechnologie funktioniert. (So sehr ich die Serie auch mag, Star Trek ist kein Bildungsfernsehen.)
Deshalb hier eine kurze Erklärung:


1) Was ist Nanotechnologie?
Nanotechnologie ist eine bereits existierende, wenn auch nur wenig weit entwickelte Technologie, die primär in den Bereich der Chemie fällt. Es geht darum, Moleküle und Atome kontrolliert neu zu ordnen. Nanotechnolgie hat somit wenig mit winzigen Robotern zu tun. Nanomaschinen mögen in in Zukunft ähnlicher Weise befohlene Arbeiten ausführen, aber sie bestehen nicht aus Stahl und werden auch nicht durch Mikrochips gesteuert. Nanotechnolgie ist vor allem supramolekulare Chemie. Die Informationseinheit ist kein Mikrochip, sondern kann von einem Molekül abgelesen werden, ähnlich wie es eine Zelle mit DNS tut.
Wie das genau funktioniert, ist hier nicht wichtig. Aber man sollte immer im Auge behalten, dass es um die Veränderung von Molekülen geht, also eine chemische Fragestellung ist.

Was kann Nanotechnologie?
Einfache Nanosysteme sind starr und können ihre Form nicht ändern. Solche kann man heute bereits in Tonnen herstellen. Das mag sinnlos klingen, ermöglicht aber eine Vielzahl von Anwendungen. Die Katalyse (z. B. das Cracken und die Entschwefelung von Rohöl) gehört da genauso zu wie die Galemik (das Einschleusen von Wirkstoffen in den Körper, die an der richtigen Stelle freigesetzt werden).
In Zukunft werden steuerbare Nanosysteme so weit marktreif werden, dass man sie in der breiten Masse anwenden kann. Diese können dann spezifische Aufgaben erfüllen. Dabei verändern sie ihre Form und somit ihre Funktionalität durch die Wechselwirkung mit gewissen Molekülen. Eine einfache geplante Anwendung ist die Wiederbelebung von Brandopfern. Deren Blut enthält viel zu viel CO2 und viel zu wenig Sauerstoff. Ein Medikament, dass das CO2 aus dem Blut entfernt und duchr die Aufnahme sich so verformt, das darin eingelagerter Sauerstoff ins Blut freigesetzt wird, kann hier Leben retten.
Auf lange Sicht wird man vermutlich zu Nanomaschinen mit breiter Anwendung gelangen, die ähnlich einer Zelle molekular kodierte Informationen auslesen und entsprechende Arbeit verrichten.

Was kann Nanotechnologie nicht?
Diese Frage ist schwer zu beantworten, weil wir die Genzen unserer Möglichkeiten selten gut abschätzen können. Was Nanotechnologie jedoch in den nächsten Jahrzehnten nicht können wird, ist genau das, was die meisten sich darunter Vorstellen. Man kann keinen Replikator bauen. Oder zumindest keinen, der sich zu bauen lohnt. Ein makroskopisches Objekt wie einen Schraubenschlüssel mithilfe von Nanosonden zu bauen dauert ewig und drei Tage. Ein solcher Replikator bräuchte Unmengen an Energie und wäre sehr, sehr langsam. Warum? Weil durch die große Zahl an gesteuert Schritten sehr viel Abwärme frei wird. Deshalb kann ein Replikator nur so shcnell arbeiten, dass seine Nanosonden nicht der Abwärme zum Opfer fallen. Und das wäre wirklich nicht sehr schnell.

Wie wird sie sich entwickeln?
Hier wurde mehrfach die Vermutung geäußert, dass ganze liefe auf bakterielle Gentechnologie hinaus. Das stimmt so nicht. Beide Technologien haben ihre Vorteile und werden daher nebeneinander existieren. Biotechnologie ermöglicht es, schnell sehr viele Kopien einer Einheit zu machen. Aber biologische Organismen sind aufgrund der Beschräkung der verwendbaren Stoffe oft sehr ineffizient. Es wird gerne behauptet, die Natur sie in allem besser, aber das ist nicht wahr. Photosynthese hat eine Effizienz von nur 1 %, eine moderne Solarzelle das 18-fache.
Nanotechnologie kann effizienter sein und auch Dinge ermöglichen, die biologischen Systemen ganz und gar unmöglich sein könnten. Dafür ist die Herstellung schwieriger und aufwendiger.

Ist Nanotechnolgie gefährlich?
Kommt darauf an. Man kann Nanosysteme absichtlich so gestalten, dass sie gefährlich sind, so wie man jede Technologie für derartiges verwenden kann. Als unerwünschter Nebeneffekt stellen ansonsten harmlose Nanopartikel nach bisheriger Erkenntnis nur als Ultrafeinststaub eine Gefahr dar. Ob es doch noch unentdecktes Gefahrenpotential gibt, wird bereits in vielen Versuchen überprüft, bisher ohne das eines entdeckt wurde.

Wird Nanotechnologie ein Luxusgut?
Nein. Ganz einfache Antwort.
Wer weiß, wie aufwendig und fehlerbehaftet es ist, Nanomaschinen zu bauen, der versteht das sofort. Damit sich ihre Herstellung als Gut überhaupt für irgendwen lohnt, muss man einen Mechanismus entwickeln, der sie in großer Zahl hertsellen kann. Und dann kann man sie auch gleich für die breite Masse herstellen. Da verdient man auf Dauer viel mehr mit.



Alle Klarheiten beseitigt?
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und die andern sind im Licht
und man siehet die im Lichte,
die im Dunkeln sieht man nicht.

[sehr gut]

[Lichtbringer]

Kurz: So ein Blödsinn!

Allein die Umweltprobleme, die sich damit beheben lassen. Das geht ja nun wirklich arm und reich gleichermaßen an. Und eine Heilung des HI-Virus kann ich auch nicht so schlecht finden...
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[Komodo]

[Lichtbringer]

Das war bloß ein ironischer Spruch. Natürlich sind Fragen jeder Art willkommen.
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[sehr gut]

[Lichtbringer]

Zum Thema Atomkraft: Das war natürlich eine Parodie. Humor! Du weißt schon, das worüber andere Leute lachen können.

Zum Thema Viren: Wenn es mit einer konkaven Reagenz gelingt (und wir sind in diesem Punkt schon sehr weit) die Rezeptoren des Virus zu blockieren, dass dieser nicht mehr in eine Zelle eindringen kann, dann ist das prizipiell für alle Viren möglich. Der HI-Virus ist nur das Objekt der Begierde, weil diese Methode sehr aufwendig ist und sich für Schnupfen nicht wirklich lohnt.
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[Schlafmütze]

[Lichtbringer]

Abbauen kann man es nicht, denn Nanotechnologie arbeitet chemisch. Sie verknüpft also Atome und Moleküle neu. Radioaktivität ist aber eine Eigenschaft der Atome selber, in die man so nicht eingreifen kann. Was man aber kann und im MRT und einigen Kerneinergienalagen auch schon tut, ist diese Atome einzuschließen. So können sie nicht durch Wasser geköst und verbreitet werden. Und das ist ja das eigentliche Problem, wenn es auf diese Weise in die Nahrungskette gelangt.
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[sehr gut]

[Shadaik]

[Lichtbringer]

Technologie hat immer ein Ziel, denn sie wird von Menschen gebaut. Und Menschen sind zielgerichtete Wesen. Wissenschaft hingegen sollte besser kein Ziel haben, was leider nicht immer optimal funktioniert.

Das Problem ist, dass wir Technologie und Fortschritt brauchen, weil uns sonst unsere hausgemachten Probleme einholen. Das hätte eine große Katastrophe zur Folge. Da ist es besser, weiterzugehen und zu hoffen, eines Tages könne man die meisten Probleme lösen, ohne neue zu schaffen, anstatt einfach gleich aufzugeben.
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[sehr gut]

[Mr Schnuffi]

Keine Ahnung, ob die Photosynthese (von C3, C4 oder CAM Pflanzen?)wirklich nur einen Wirkungsgrad von 1% hat, allerdings sind biologische Systeme (Bakterien) bei der Stickstofffixierung erheblich effizienter. Mal davon abgesehen, dass die Produktion und Entsorgung von Photozellen in der Wirkungsgradberechnung vermutlich nicht berücksichtigt wurden.

Eine wirksames Mittel gegen den HI-Virus gibt es schon (allerdings noch nicht marktreif), läuft über kurze ssDNA, die zu einem Bereich des Virusgenoms, das aus ssRNA besteht, komplementär ist, worauf dem Virus "vorgegaugelt" wird, dass er schon mit der reversen Transkription fertig, was wiederum dazu führt, dass die ssRNA von einer viralen RNAse degradiert wird. Der Vorteil dieser Methode ist, dass er prinzipiell gegen alle Retroviren eingesetzt werden kann, und der Virus nur wenig Möglichkeiten hat eine Resistenz auszubilden (ein Genom ist schnell sequenziert; die Struktur der Kontaktproteine zu entschlüsseln, ist da schon etwas arbeitsintensiver).
Naja, ich denke, dass die Impulse, die eine Heilung von bisher unheilbaren Krankheiten ermöglichen, eher aus der Molekularbiologie hervorgehen, wenn man ein System versteht, kann man es auch zielgerichtet beeinflussen. Die Nanoeisenpartikel gegen Tumorgewebe haben ja schon eher einen Holzhammercharme, wobei es natürlich keine Einwände dagegen gibt, diese einzusetzen, solange bessere Alternativen fehlen.

Auch hat sich die Euphorie im Nanolager mittlerweile etwas gelegt, was sicherlich kein Fehler ist (Ball flach halten und keine irrationalen Erwartungen schüren). Da sich bei der Konstruktion im atomaren Raum Probleme ergeben, lässt man sich für deren Lösung auch wieder von der Natur inspirieren. Ich denke, eine Entwicklung maßgeschneiderter Enzyme und Ribozyme ist erfolgsversprechender, als das Rad neuerfinden zu wollen.
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[Shadaik]

[Mr Schnuffi]

Aus Wiki

Effektivität [Bearbeiten]

Der Effekt der Photosynthese kann auf verschiedene Energiegrößen (Maßeinheit Joule) bezogen werden, so dass es eine Reihe verschieden definierter Größen für die Effektivität gibt. Im Folgenden sind verwendete Energiegrößen aufgeführt.

1. Energie der Photonen, die für die Bereitstellung der erforderlichen Mengen an Reduktionsäquivalenten (NADPH+H+) und ATP in den Photosystemen umgesetzt werden, also der tatsächlich photochemisch wirksamen Photonen.
2. Energie der von den Photosystemen absorbierten Photonen, einschließlich der photochemisch nicht wirksamen.
3. Energie des gesamten von Chloroplasten absorbierten Lichts.
4. Energie des von Blättern absorbierten Lichts.
5. Energie des auf einen Pflanzenbestand oder einer Mikroorganismenpopulation eingestrahlten Lichts.
6. Energie des auf Teile oder die gesamte Oberfläche des Planeten Erde eingestrahlten Lichts.

Bei den Größen 4 bis 6 kann entweder die Energie des gesamten Spektrums der Einstrahlung von der Sonne verwendet werden oder auch nur der Teil des Spektrums, der prinzipiell für die Photosynthese nutzbar ist. Bei Pflanzen und Algen wird - je nach Autor - teils der Wellenlängenbereich von 360 bis 720 nm angenommen, teils der von 360 bis 700 nm und teils der von 400 bis 700 nm. Man bezeichnet diesen Anteil der Strahlung als photosynthetisch nutzbare Strahlung (englisch „Photosynthetically Active Radiation“, Abkürzung „PAR“). Je nach angenommenem Wellenlängenbereich beträgt die Energie der PAR 40 bis 50 Prozent derjenigen der gesamten Einstrahlung.

Wirkungsgrad [Bearbeiten]

Der Wirkungsgrad, der den primären Effekt der Photosynthese im Verhältnis zur Energie der photochemisch wirksamen Photonen quantifiziert, wird wie folgt berechnet:

Als Grundlage der Berechnung dienen die Frequenzen der Absorptionsmaxima des Chlorophylls.

* Um ein Elektron anzuregen, wird ein Lichtquant benötigt.
* Um ein NADP+ zu reduzieren, werden zwei Elektronen und ein Proton benötigt.
* Da jedes Elektron zweimal angeregt wird (durch Photosystem II und I), werden für die Erzeugung von einem NADPH+H+ vier Photonen benötigt.
* Da 24 Elektronen (bzw. 12 NADPH) für die Synthese von einem Molekül Glucose aus CO2 und Wasser benötigt werden, werden insgesamt 48 Lichtquanten benötigt.
* Die Energie von Lichtquanten ist von ihrer Wellenlänge abhängig:
o E(λ = 400 nm) = 298 kJ/mol (blaues Licht)
o E(λ = 700 nm) = 168 kJ/mol (rotes Licht)
* Die für die Synthese von einem Mol Glucose benötigte Lichtenergie beträgt demnach je nach Wellenlänge zwischen 14300 kJ (Blau) und 8064 kJ (Rot)
* Die Freie Reaktionsenthalpie für die Bildung von Glucose aus CO2 und H2O beträgt unter Standardbedingungen 2862 kJ/mol.
* Das ergibt einen Wirkungsgrad von 20,0 Prozent für blaues und 35,5 Prozent für rotes Licht.

Globale Effektivität [/b]
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[Lichtbringer]

Effizienz der Photosynthese: Deine Rechnung ist richtig, beachtet aber die Tatsache nicht, dass die Photosynthese einen viel schmaleren Bereich des Lichtspektrums verwendet als Photozellen. Wenn man das sichtbare Lichtspektrum als Maßstab nimmt landet man bei 1 %.

Was die Stickstofffixierung angeht, das stimmt schlichtweg nicht. Die Haber-Bosch-Synthese arbeitet heutzutage viel effizienter als Bakterien, weil sie ihre Reagenzien und die eingesetze Energie über sehr komplexe Rückgewinning nutzt. Bakterien haben den Vorteil, dass sie den Trick bei Normaldruck und Zimmertemperatur beherrschen, was wir nicht können. Aber das macht sie nicht effizienter.

Ich stimme voll und ganz zu, dass biologische Systeme oft viel besser sind als menschliche Konstrukte. Man denke bloß an die Stabilität Materialien oder die Fähigkeiten des Gehirns. Aber es gibt eben auch Prozesse, die der Mensch besser beherrscht. Vor allem bei wenig komplexen Prozessen, die nur wenige, einfache Schritte umfassen, ist uns das oft gelungen.
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[cmrs]

Ich sage erstmal herzlich Willkommen im Forum!

Und da ich bei weitem kein Fachmann in diesem Gebiet bin diskutiere ich mal nicht mit(auch wenn andere es wahrscheinlich tun würden) sondern habe zwei Fragen:

[Lichtbringer]

Ein konkaves Reagenz ist ein Molekül, dass so gestaltet wurde, dass ein anderes Molekül oder ein Teil eines anderen Moleküls genau rein passt. So kann man ein solches Molekül so erzeugen, dass es die Proteine des Virus besetzt, mit deren Hilfe dieses normalerweise in eine Wirtszelle eindringt. Dann kann das Virus nicht mehr in die Zelle rein und kann sich nicht mehr fortpflanzen. Unser Körper nutzt dne gleichen Trick, indem er Antikörper verwendet. Aber ihm steht leider nicht die große Palette an Ausgangstoffen und Elementen zur Verfügung wie einem Chemiker. Daher kann er das HI-Virus nicht abwehren.

@Mr Schnuffi: Ich habe deine Werte zur Ausnutzung des Sonnenlichtes noch einmal überprüft. Bisher ohne eindeutiges Ergebnis. Du könntest Recht haben und ich mich irren. Warum auch nicht? Ich werde mal einen Professor fragen.
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[Nergal]

Wieso soll das erzeugen von makroskopischen gegenständen, auch komplexen unmöglich sein wenn das selbst die Natur schafft zB im Mutterleib?

[Lichtbringer]

Es ist durchaus möglich, es dauert nur sehr lange. Im Mutterleib immerhin 9 Monate. Außerdem ist das System dahinter so komplex, dass es sich eigentlich für (fast) nichts lohnt, ein derart komplexes Stück Nanotechnologie auszuarbeiten. Eine makroskopische Herstellung ist eigentlich immer zu bevorzugen.
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[Nergal]

So ein System wie hier beschrieben sieht doch vielversprechend aus:

http://www.youtube.com/watch?v=zqyZ9bFl_qg

[Mr Schnuffi]

Hi Lichtbringer (mit deinem geschmacklosen Avatar )

also die Rechnung ist nicht von mir, sondern aus Wiki übernommen. Wie ebenfalls aus dem Wiki-Artikel herauskopiert, stellt sich bei der Berechnung des Wirkungsgrads die Frage, was ich als eingespeiste Energie(-träger) berücksichtige. Das gesamte sichtbare Lichtspektrum halte ich für unlogisch, da könnte man auch fordern, einfach das ganze Spektrum der elektromagnetischen Strahlung zu berücksichtigen und Photosynthese und Photozellen hätten einen Wirkungsgrad von cirka Null (okay ich weiß jetzt nicht, welche Intervalle des Spektrums in welcher Menge die Erdoberfläche erreichen, aber dürfte klar sein, worauf es hinausläuft).

Enigen wir uns darauf, dass Bakterien mit ihrer Stickstofffixierung die komplette Biomasse der Erde versorgen können, ohne auf fossile Brennstoffe zurückzugreifen. Natürlich setzen sie damit auch eine obere Grenze bezüglich der Biomasse, sonst bräuchte man ja keinen Kunstdünger....
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[Lichtbringer]

Da hast du Recht. Es wird zwar momentan bereits ebenso viel Stickstoff durch den Menschen wie durch Bakterien fixiert (das hat ja noch viel mehr Anwedungen als Düngemittel), aber die Energiequelle dafür geht natürlich an die Substanz.

PS: Abgesehen von dem Atompilz stehe durchaus zu dieser Meinung.
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[Mr Schnuffi]

[Rasmus]

[Mr Schnuffi]

[Lichtbringer]

Es kommt darauf an, was man als Rezeptor ansieht. In der supramolekularen Chemie geht das leider quer durcheinander. Deshlab redet man besser von Wirt und Gast. In diesem Falle wäre das Medikament der Wirt und das an die Zelle andockende Clycoprotein der Gast. Es wird also dieses Protein auf dem Virus besetzt, nicht die Zelle selber.
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[blaue fee]

ich sehe es schon kommen in 1000 jahren wird die erde komplett tot sein und durch und durch aus Beton bestehen. Und das alles nur weil irgendjemand ein Glas Nanoroboter, die Erdreich in Beton verwandeln sollen, aus versehen umgekippt hat.

Tragisch, die Menschen haben anscheinend das Bedürfnis alles was machbar ist auch auszuprobieren, wieder besseren Wissens; die Sündenliste der modernen Alchemie wäre ja schon lang genug.

[Rasmus]