Molecular Self-Assembly in Biomaterials

Bei der Top-down-Synthese werden Nanomaterialien hergestellt, indem man von einem größeren Material ausgeht und es auf die Nanoskala zerlegt oder strukturiert. Zu den wichtigsten Techniken gehören mechanische Methoden wie Kugelmühlen und lithografische Verfahren wie Fotolithografie, Elektronenstrahllithografie und Nanoimprint-Lithografie. Diese Methoden werden häufig zur Herstellung strukturierter Oberflächen und integrierter Schaltkreise eingesetzt, können aber Oberflächenfehler aufweisen.

Physics of Failure (PoF) ist ein Ansatz der Zuverlässigkeitstechnik, bei dem Kenntnisse der Werkstoffkunde und der Physik genutzt werden, um die Ursachen von Ausfällen zu verstehen und zu modellieren. Anstatt sich nur auf statistische Daten vergangener Ausfälle zu stützen, konzentriert sich dieser Ansatz auf die Vorhersage von Ausfällen durch die Analyse der physikalischen Prozesse (z. B. Ermüdung, Korrosion, Kriechen), die zu Degradation und Ausfall führen.

Der Quantengrößeneffekt beschreibt das Phänomen, dass sich die elektronischen und optischen Eigenschaften eines Materials ändern, wenn sich seine Größe der Nanoskala nähert. Wenn die Abmessungen eines Materials mit der de-Broglie-Wellenlänge des Elektrons vergleichbar werden, tritt Quanteneinschluss auf. Dadurch werden die Energieniveaus der Elektronen quantisiert, was zu einer größenabhängigen Bandlücke führt, [latex]E_g(R) \approx E_{g,\b\u\lk} + \frac{\hbar^2\pi^2}{2R^2}(\frac{1}{m_e^*} + \frac{1}{m_h^*})[/latex].

Die ISO-Norm 5725 definiert Genauigkeit als die Kombination von Richtigkeit und Präzision. Richtigkeit ist die Übereinstimmung des Mittelwerts einer großen Messreihe mit dem akzeptierten Referenzwert und quantifiziert den systematischen Fehler oder die Verzerrung. Präzision ist der Grad der Übereinstimmung zwischen einer Reihe von Ergebnissen, der den Zufallsfehler quantifiziert. Genauigkeit erfordert also sowohl eine hohe Richtigkeit als auch eine hohe Präzision.

UNISURF wurde in den 1960er Jahren vom französischen Ingenieur Pierre Bézier für Renault entwickelt und war eines der ersten echten 3D-CAD/CAM-Systeme. Seine wichtigste Innovation war die Verwendung der heute als Bézier-Kurven und -Flächen bekannten Systeme. Dabei handelt es sich um parametrische Kurven, die durch eine Reihe von Kontrollpunkten definiert werden und die intuitive und mathematische Erstellung komplexer Freiformformen für Karosserien ermöglichen.

Die Molekularelektronik erforscht die Nutzung einzelner Moleküle oder nanoskaliger Molekülansammlungen als grundlegende elektronische Komponenten. Ziel dieses Ansatzes ist der Bau von Schaltkreisen an der äußersten Grenze der Miniaturisierung, weit über die traditionelle Siliziumtechnologie hinaus. Zu den Schlüsselkomponenten gehören molekulare Drähte, Schalter und Gleichrichter, deren Funktion quantenmechanische Eigenschaften wie das Tunneln von Elektronen durch Molekülorbitale nutzt.

Lithium-Ionen-Batterien funktionieren über einen Interkalationsmechanismus, eine reversible Einlagerung von Ionen in ein geschichtetes Wirtsmaterial. Während der Entladung de-interkalieren Lithium-Ionen ([latex]Li^+[/latex]) von einer negativen Elektrode (Anode), in der Regel Graphit, und wandern durch einen nicht-wässrigen Elektrolyten, um sich in eine positive Elektrode (Kathode), in der Regel ein Metalloxid, einzulagern. Die Elektronen wandern durch den externen Stromkreis und erzeugen Strom.

Ein Einzelelektronentransistor (SET) ist ein Schaltgerät, das kontrolliertes Elektronentunneln nutzt, um den Fluss einzelner Elektronen zu manipulieren. Er besteht aus einem Quantenpunkt (der „Insel“), der über Tunnelverbindungen mit Source- und Drain-Anschlüssen und kapazitiv mit einer Gate-Elektrode verbunden ist. Seine Funktionsweise basiert auf dem Coulomb-Blockade-Effekt, der extreme Empfindlichkeit und geringen Stromverbrauch ermöglicht.

Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) sind zylindrische Moleküle aus aufgerollten Schichten einschichtiger Kohlenstoffatome (Graphen). Sie können einwandig (SWCNTs) oder mehrwandig (MWCNTs) sein. Ihre Eigenschaften sind außergewöhnlich, darunter eine außergewöhnliche Zugfestigkeit (~100 GPa), hohe elektrische Leitfähigkeit und hohe Wärmeleitfähigkeit. Ihr elektronisches Verhalten (metallisch oder halbleitend) hängt von ihrer Chiralität ab, d. h. vom Winkel, in dem sich das Graphengitter aufrollt.

Die Allgemeine Relativitätstheorie sagt voraus, dass beschleunigte Massen Wellen im Raumzeitgefüge erzeugen, sogenannte Gravitationswellen. Diese Wellen breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus und transportieren Energie in Form von Gravitationsstrahlung. Sie entstehen durch kataklysmische kosmische Ereignisse wie die Verschmelzung Schwarzer Löcher oder Neutronensterne, die die Raumzeit beim Vorbeiflug dehnen und zusammenziehen.