Aus den Labors: Nanotechnologie

Nanodraht-Computing
Eine praktische Methode für nanodrahtbasierte CMOS-Schaltungen

Diese auf Nanodrähten basierende CMOS-Schaltung (die Nanodrähte sind zu klein, um sie zu sehen) könnte zu kleineren, leistungsfähigeren Computern führen. (Mit freundlicher Genehmigung von Dunwei Wang)

Quelle: Complementary Symmetry Silicon Nanowire Logic: Power-Efficient Inverters with Gain
DunweiWanget al.
Klein 2 (10): 1153-1158



Der neue Prototyp von Philanthropy

Diese Geschichte war Teil unserer Ausgabe vom November 2006

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Ergebnisse: Caltech-Forscher haben auf Silizium-Nanodraht basierende Logikschaltungen hergestellt, die den komplementären Metalloxid-Halbleiterschaltungen ähnlich sind, die in Computerchips verwendet werden. Solche Schaltungen kombinieren zwei Arten von Transistoren, die auf elektronische Signale entgegengesetzt reagieren – eine nützliche Anordnung für energieeffiziente Chips. Da das neue Verfahren beide Arten von Transistoren auf einer einzigen Oberfläche herstellen kann, könnte es für die Massenproduktion geeignet sein.

Warum es wichtig ist: Aufgrund ihrer geringen Größe und hervorragenden elektronischen Eigenschaften könnten Silizium-Nanodrähte ultraempfindliche Handsensoren zur Erkennung von Krebs oder zur Identifizierung biologischer Gefahren ermöglichen. Zudem könnten die Nanodrähte zu leistungsfähigeren und energieeffizienteren Computerchips führen. Aber frühere Prototypen von Schaltungen auf Nanodrahtbasis wurden mit Techniken hergestellt, die sich nicht für die Stapelverarbeitung eignen. Die neuen Verfahren könnten die Herstellung von Nanodraht-Schaltungen praktisch machen.

Methoden: Um p- und n-Typ-Transistoren herzustellen, die beiden Typen, die in CMOS-Schaltungen benötigt werden, erstellten die Forscher zunächst ein Schachbrettmuster des p- und n-Typ-Siliziums: Sie dotierten benachbarte Quadrate mit unterschiedlichen Dotierstoffen unter Verwendung fotolithografisch hergestellter Masken. Dann ätzten die Forscher mit einer zuvor entwickelten Methode selektiv Silizium weg, um geordnete Anordnungen von Nanodrähten zu bilden. Schließlich verbanden sie diese Nanodrähte mithilfe von Elektronenstrahllithographie, um Transistoren und eine grundlegende Art von Logikschaltung namens Inverter zu bilden.

Nächste Schritte: Für die Massenproduktion werden die Forscher die Elektronenstrahllithografie durch die schnellere Methode der Fotolithografie ersetzen. Sie müssen auch zeigen, dass ein experimenteller Prozess zur Herstellung von Chargen von Nanodraht-Arrays, genannt Nano-Imprinting, in der Großserienfertigung funktionieren wird.

Intelligente Nanobehälter
Nanopartikel könnten signalisieren, wenn sie sich in bestimmten Zelltypen befinden, was zu neuen Diagnose- und Behandlungsmethoden führt

Quelle: Toward Intelligent Nanosize Bioreactors: A pH-switchable, Channel-Equipment, Functional Polymer Nanocontainer
Pavel Broz et al.
Nano-Buchstaben 6 (10): 2349-2353

Ergebnisse: Forschende in der Schweiz haben 200 Nanometer breite Behälter hergestellt, die mit Poren übersät sind, deren Wände aus bakteriellen Proteinen bestehen. Sie zeigten, dass diese Nanobehälter die Position und Dauer eines fluoreszierenden Signals steuern können – das nur dann aufleuchtet, wenn der Säuregehalt ihrer Umgebung mit dem innerhalb der Zellstrukturen übereinstimmt, die als Lysosomen bezeichnet werden und Fremdstoffe, die in eine Zelle gelangen, verdauen.

Warum es wichtig ist: Die Arbeit zeigt, dass Nanopartikel, die aktive Poren verwenden, auf Umwelteinflüsse wie Säure reagieren können, um nützliche Funktionen zu erfüllen. In einer Anwendung leuchteten pH-sensitive Nanoträger erst auf, wenn sie auf Lysosomen trafen, um sicherzustellen, dass sie das Innere der Zellen erreicht hatten. Die Forscher zeigten zuvor, dass sich die Träger an bestimmte Zelltypen wie Makrophagen anheften können, was darauf hindeutet, dass ein solches System verwendet werden könnte, um bestimmte Zellen in einer Laborprobe zu identifizieren. Mit einigen Modifikationen könnte es auch verwendet werden, um ein Medikament nur innerhalb der Zielzellen freizusetzen, wodurch die Medikamentenbehandlung effektiver wird und Nebenwirkungen durch den Schutz von umliegendem Gewebe reduziert werden.

Methoden: Speziell entwickelte Polymere in Kombination mit bakteriellen Proteinen bauen sich selbst zusammen, um die Behälter zu bilden, während hinzugefügte Enzyme, die bestimmte Verbindungen abbauen und dadurch fluoreszieren, im Inneren eingeschlossen sind. Die Größe der Poren verhindert das Entweichen der Enzyme, lässt jedoch Verbindungen nach und nach in den Behälter eindringen, um abgebaut zu werden, wodurch ein lang anhaltendes Signal erzeugt wird, das auf die Behälter beschränkt ist. Die pH-Empfindlichkeit ist auf zwei Faktoren zurückzuführen: Die Enzyme funktionieren am besten bei lysosomalen Säuren und die Poren, die unter den meisten Bedingungen geöffnet sind, schließen sich bei zu hohen Säurekonzentrationen.

Nächste Schritte : Die Forschung erfordert weitere Tests, um zu bestätigen, dass die Nanopartikel in lebenden Personen funktionieren. Für potenzielle Anwendungen zur Wirkstoffabgabe werden die Forscher Wirkstoffe mit spezifischen zellulären Zielen kombinieren und einen Freisetzungsmechanismus entwickeln; es könnte auf synthetischen Poren basieren, die sowohl in neutralen und alkalischen als auch in stark sauren Umgebungen geschlossen bleiben und sich nur im bestimmten pH-Bereich des Inneren eines Lysosoms öffnen.

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