- US-Forscher nutzen Nanowissenschaft, um die Entwicklung der Elektronik und Medizintechnik voranzutreiben.
- Die Eigenschaften von Materie ändern sich auf der Nanoskala aufgrund von Quanteneffekten drastisch.
- Argonnes Advanced Photon Source (APS) ist die hellste Synchrotron-Röntgenquelle der Welt.
- Das ISN-Tool ermöglicht die Beobachtung des Betriebs und der Ausfallprozesse von Materialien unter realen Bedingungen.
US-amerikanische Forscher gestalten die Grenzen der Nanowissenschaft und nutzen die Kontrolle auf atomarer Ebene, um Fortschritte in Bereichen wie Elektronik, Energiespeicherung, Katalyse, Sensorik und Medizin zu beschleunigen. „In Argonne arbeiten einige der weltbesten Innovatoren daran, die Nanowissenschaft in die nächste Generation von Entdeckungen zu verwandeln und Ideen, die einst unmöglich schienen, in den Bereich des Machbaren zu bringen.“, so Gary Wiederrecht, Direktor des Zentrums für Nanomaterialien und der Abteilung für Nanowissenschaft und -technologie bei Argonne.
In der Nanowelt können sich die Eigenschaften von Materie dramatisch verändern. Die moderne Nanowissenschaft basiert auf einem einfachen Konzept: Wenn Materie klein genug wird, verhält sie sich anders. Auf der Nanoskala ändern sich die Eigenschaften von Materie aufgrund von Quanteneffekten und Kräften, die auf die Oberfläche des Materials wirken (wie elektrostatische Kräfte und andere molekulare Wechselwirkungen), drastisch. „Die Nanowissenschaft ist deshalb so aufregend, weil sie letztlich damit zu tun hat, was passiert, wenn Materialien von der Makrowelt in die Nanoskala schrumpfen – fast alles beginnt, sich auf andere Weise zu verhalten.“, sagt Wiederrecht.
Die außergewöhnlichen Veränderungen der Nanowissenschaft
Auf der Nanoskala treten neue Eigenschaften auf – optische, elektrische, chemische – die auf größeren Skalen einfach nicht existieren. Wissenschaftler und Ingenieure nutzen diese Veränderungen, um einflussreiche Technologien zu schaffen, die zuvor als unmöglich galten. Argonne hat im Modernisierungsprozess der Nanowissenschaft einen soliden Vorteil in der Materialforschung, der Photonenwissenschaft und den fortschrittlichen Instrumenten. Seit Jahrzehnten arbeiten seine Forscher daran, bahnbrechende Werkzeuge zu entwickeln, um neu zu definieren, wie Wissenschaftler Materie auf atomarer Ebene visualisieren, verstehen und gestalten können.
Die Advanced Photon Source (APS) von Argonne, die 1995 fertiggestellt wurde, ist inzwischen die hellste Synchrotron-Röntgenquelle der Welt. Ihr umfassender Upgrade, der voraussichtlich 2026 abgeschlossen wird, wird die Helligkeit des Röntgenstrahls um das 500-fache erhöhen, sodass Forscher die Atomstruktur genauer abbilden und die Bildung von Defekten in Materialien, die verschiedenen Umweltbelastungen ausgesetzt sind, in Echtzeit verfolgen können. Laut Pressemitteilung ist das weltweit führende In-situ-Nano-Probe (ISN)-Tool von Argonne ein leistungsstarkes neues Werkzeug, das die Strahllinien-Bildgebungsfähigkeiten des Labors in den Bereich der „In-situ“-Forschung vorantreibt, bei der Forscher die Funktionsweise, Anpassung und das Versagen von Materialien unter realen Bedingungen beobachten können.
Die bedeutende Aufrüstung der Advanced Photon Source
Dies ist ein wichtiger Schritt für Durchbrüche in den Bereichen Energie, Mikroelektronik, Quantensysteme und fortschrittliche Fertigung. „Die APS ist bereits eine der weltweit führenden Maschinen zum Verständnis von Materie.“, sagt Sarah Wiegold, Physikerin bei Argonne. „Das ISN erweitert diesen Vorteil, indem es eine besonders wichtige Dimension hinzufügt: die Fähigkeit, das Nanoverhalten unter realen Betriebsbedingungen zu untersuchen.“ Das ISN ist mit den komplementären Technologien der APS verbunden, die Materialien auf unterschiedlichen Längenskalen, unterschiedlichen Zeitskalen und in unterschiedlichen Kontrastmodi untersuchen. Die Kombination dieser Fähigkeiten schafft ein umfassenderes Verständnis komplexer Materialien – von den atomaren und nanoskaligen Ursprüngen des Verhaltens bis hin zur Systemleistung.
Das Anwendungspotenzial der Nanowissenschaft und -technologie
Die Entwicklung der Nanowissenschaft hat tiefgreifende Auswirkungen auf Bereiche wie Elektronik und Medizintechnik, da auf der Nanoskala neue Eigenschaften der Materie auftreten, die die Entstehung völlig neuer technologischer Anwendungen ermöglichen. Die Aufrüstung der Advanced Photon Source von Argonne und ihres In-situ-Nano-Probes wird es Forschern ermöglichen, das Verhalten von Materialien präziser zu untersuchen und zu verstehen, was für Durchbrüche in den Bereichen Energie, Mikroelektronik und fortschrittliche Fertigung entscheidend ist. Die Kombination dieser Technologien erhöht nicht nur die Tiefe der Materialforschung, sondern bietet auch eine breitere Perspektive für zukünftige Innovationen.