Ein Streifzug durch die Dresdner Nanowelt
An Exploration of Dresden's Nanoworld

Lehn, Jean-Marie:
Zum Geleit
Foreword

Fortschritte in der Nanowissenschaft und die Entwicklung sowie Anwendung von Nanotechnologien besitzen eine außerordentliche Bedeutung für die zukünftige Gestaltung der menschlichen Gesellschaft. Im Mittelpunkt des Interesses stehen dabei Darstellung und Charakterisierung komplizierter Systeme und Materialien mit neuen Eigenschaften auf der Nanometerskala, typischerweise zwischen 1 und 100 nm. Entscheidend für eine Zuordnung ist aber weniger die Größe der Systeme selbst als vielmehr die Spezifik der damit verknüpften größenabhängigen Änderungen von relevanten Eigenschaften.

Nanowissenschaft und Nanotechnologie leben vom Wechselspiel der naturwissenschaftlichen und technischen Fachdisziplinen und haben vielfältige Vorbilder in der Natur. Ihre Auswirkungen werden zukünftig in vielen Lebensbereichen wirksam sein.

Als Chemiker fasziniert in diesem weiten Feld die Möglichkeit, ausgesprochen komplexe chemische Systeme und Materialien aus molekularen Einzelkomponenten zu konzipieren, sie unter Einsatz schwacher zwischenmolekularer Kräfte zusammenzufügen und ihre Eigenschaften zu kontrollieren. Die supramolekulare Chemie eröffnet durch die kreative Nutzung von Prinzipien der molekularen Erkennung und Selbstorganisation, auf deren Grundlage auch die Evolution in der Natur erfolgt ist, einen innovativen Ansatz zum Aufbau von funktionalen Architekturen im Nanometerbereich mit einem definierten Eigenschaftsspektrum. Letztlich organisieren sich funktionale Nanostrukturen aufgrund des strukturell implementierbaren Informationsgehaltes ihrer Ausgangskomponenten selbst und können damit Herstellungsprozesse einerseits überhaupt ermöglichen, andererseits aber auch entscheidend vereinfachen. Wesentliche Fortschritte werden zunehmend durch die enge interdisziplinäre Zusammenarbeit von den an der Entwicklung beteiligten Wissenschaftsdisziplinen und potenziellen Anwendern bestimmt. Deshalb sind alle Aktivitäten zu begrüßen, Möglichkeiten und Grenzen von Nanosystemen aufzuzeigen und die Diskussion innerhalb und außerhalb der Fachgrenzen voranzubringen.

In diesem Sinne wünsche ich allen an nanostrukturierten Materialien und den Wegen dorthin interessierten Arbeitsgruppen der Technischen Universität Dresden viel Erfolg bei ihrer Arbeit. Den Lesern der Zeitschrift wünsche ich neue Anregungen und Freude beim Lesen der Beiträge, die einen weiten Bogen von den Natur- und Materialwissenschaften bis hin zur Medizin spannen und damit ausgewählte Facetten von Nanowissenschaft bzw. Nanotechnologie an der TU Dresden illustrieren.

Prof. Jean-Marie Lehn
Nobelpreisträger für Chemie 1987
Institut de Science et d'Ingénierie Supramoléculaires
Université Louis Pasteur
Strasbourg, Frankreich

Gloe, Karsten; Pompe, Wolfgang: 
Vorwort
Preface

Nanowissenschaft und Nanotechnologie - die Bezeichnung ist abgeleitet vom griechischen nannos = Zwerg, wobei ein Nanometer einem Milliardstel Meter entspricht und damit 50 000 Mal kleiner ist als der Durchmesser eines menschlichen Haares - entwickeln sich gegenwärtig in einem rasanten Tempo und werden sowohl hinsichtlich ihrer Nutzeffekte als auch im Hinblick auf mögliche Risiken in der Gesellschaft heiß diskutiert, und das nicht nur unter Wissenschaftlern. Diese Tatsache ist insbesondere dadurch bedingt, dass Nanoobjekte oder Nanomaterialien, typischerweise im Größenbereich zwischen 1 und 100 nm, so unvorstellbar klein sind und infolgedessen Eigenschaften aufweisen, die im makroskopischen Bereich nicht auftreten. Das betrifft sowohl physikalische als auch chemische Eigenschaften. Zu nennen sind hier beispielsweise quantenphysikalische Effekte oder die Dominanz von Oberflächen- und Grenzflächeneigenschaften gegenüber Volumeneigenschaften. Dadurch ergeben sich vielfältige Nutzungsoptionen in ganz unterschiedlichen Bereichen, wie Energie- und Umwelttechnik, Elektronik, Informationstechnik, Katalyse, Lebensmitteltechnik, Analytik sowie Medizin. Die Nanotechnologie wird damit zur Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts; ihre Markterwartungen für die nächsten Jahre liegen im Bereich von einigen 100 Milliarden Euro.

Zur Herstellung von Nanostrukturen gibt es zwei grundsätzliche Herangehensweisen. Einmal kann man von größeren Strukturen vorzugsweise durch Einsatz physikalischer Methoden in die Nanodimension vorstoßen ("top-down"-Ansatz). Auf diesem Wege gibt es allerdings eine Reihe von experimentellen Einschränkungen. Zum anderen können Atome oder Moleküle manipuliert und zu größeren Einheiten auf der Nanometerskala zusammengeführt werden ("bottom-up"-Ansatz). Das ist im Falle der Atome mit einer Nutzung der Raster-Tunnel- bzw. Atom-Kraft-Mikroskopie verbunden. Der supramolekulare Ansatz basiert auf einer gezielten Adressierung einzelner Moleküle bei der Strukturierung unter Nutzung der in der Natur ubiquitären Prinzipien von molekularer Erkennung und Selbstorganisation. Ein solcher "biologischer Ansatz" ist äußerst vielversprechend, da er auf dem erprobten Standardverfahren der Natur beruht und einen maßgeschneiderten Zugang zu komplexen funktionalen Strukturen erlaubt.

In dieser Ausgabe der Wissenschaftlichen Zeitschrift wird "Ein Streifzug durch die Dresdner Nanowelt" angetreten und eine Reihe von ausgewählten Arbeiten vorgestellt, die an der TU Dresden oder in außeruniversitären Einrichtungen in Dresden entstanden sind. Die Beiträge sind in die Komplexe "Entwurf", "Synthese", "Struktur und Eigenschaften", "Biologie und Nanotechnologie" sowie "Nanomedizin" gegliedert. Insgesamt spannt sich der Bogen von der Biologie, Chemie und Physik über die Materialwissenschaft bis hin zur Medizin. Im Mittelpunkt der Betrachtungen stehen sowohl theoretische als auch experimentelle Ergebnisse von Grundlagenuntersuchungen an nanoskopischen Systemen, aber auch relevante Anwendungsaspekte und Fragen der Risikoabschätzung beim Einsatz.
Insgesamt spiegeln die einzelnen Arbeiten in diesem Heft die außerordentliche Komplexität des Gesamtgebietes wider; sie verweisen auf vielfältige Möglichkeiten, aber auch auf Probleme und Grenzen. Die technisch-wissenschaftlichen Herausforderungen bei der Umsetzung der diskutierten Konzepte sind groß und bedingen eine enge interdisziplinäre Zusammenarbeit der unterschiedlichen Fachdisziplinen. Gerade das macht den besonderen Reiz dieses Gebietes für Forschung und Lehre an einer Universität aus. Es bleibt zu hoffen, dass mit diesem Heft die Diskussion über die Fachgrenzen hinaus angeregt und gleichzeitig Verknüpfungen untereinander befördert werden.

Prof. Dr. rer. nat. habil. Karsten Gloe
Fachrichtung Chemie und  Lebensmittelchemie der TU Dresden
Prof. Dr. rer. nat. habil. Wolfgang Pompe
Institut für Werkstoffwissenschaft der TU Dresden

Entwurf

Den visionären Worten des theoretischen Physikers Richard Feynman im Dezember 1959: "There is plenty of room at the bottom" wird oftmals der Aufbruch der Wissenschaft in die Nanowelt zugeordnet. Auch heute ist Nanotechnologieforschung ohne den Beitrag von theoretischen Physikern und Chemikern nicht vorstellbar. Warum ist das so? Im Experiment wird danach gestrebt, wenige Atome oder Moleküle zu definierten Strukturen zusammen zu fügen. Die direkte Beobachtung der hierbei ablaufenden Prozesse entzieht sich in dieser Dimension in der Regel dem Zugriff des Experimentators. Ebenso ist es nicht möglich, von den bekannten Eigenschaften bestimmter Stoffe, wie sie an makroskopischen Proben gemessen werden, auf das Verhalten von wenige Nanometer großen Clustern, Nanodrähten oder ultradünnen Schichten zu schließen. Somit sind sowohl die anzustrebenden Syntheserouten als auch die daraus folgenden Strukturen und Eigenschaften mit einem Schleier der Ungewissheit für den Experimentator verdeckt. Hilfe erwartet er deshalb von der Vorhersagekraft eines theoretischen Modells. Die großen methodischen Fortschritt bei der theoretischen Simulation solcher Prozesse und der Modellierung der zu erwartenden Eigenschaften haben den Theoretiker deshalb zu einem unverzichtbaren Partner in einer erfolgreichen Nanotechnologieforschung gemacht.

Design

The visionary words of theoretical physicist Richard Feynman in December 1959 - "There is plenty of room at the bottom" - are often considered the initial spark for scientific ventures into the nanoworld. Even today, nanotechnology research would be inconceivable without the contributions of theoretical physicists and chemists. Why is that so? Experiments attempt to mount single atoms or molecules into defined structures. In this dimension, direct observation of the ensuing processes generally lies beyond accessible realms. It is also not possible to transfer the known properties of a particular material as derived from macroscopic samples to the behaviour of clusters, nanowires or ultrathin layers measuring only a few nanometres. Consequently, both the avenues of synthesis to be pursued and the resultant properties and structures remain shrouded in a veil of uncertainty. Assistance can be expected from the predictive qualities of a theoretical model. Thanks to the significant methodical advances in the theoretical simulation of such processes and in the modelling of the properties to be expected, theoreticians have become vital partners in successful nanotechnology research.

Kawska, Agnieszka; Brickmann, Jürgen; Kniep, Rüdiger; Zahn, Dirk:
Aus der Geburtsstube von Nanokristallen: Computersimulationen der Aggregation von Ionen und der Entstehung geordneter Strukturen
The infancy of nanocrystals: Computer simulations of ion aggregation and the formation of ordered structures

Das Studium der Nukleation von Kristallen stellt eine immense Herausforderung sowohl an die Experimentatoren als auch an die Theoretiker dar. Die Bildung eines Kristalls aus einer Lösung beginnt mit dem Zusammenschluss einzelner Ionen zu kleinen Aggregaten. Diese embryonalen Vorstufen von Kristallen umfassen nur einige Teilchen und weisen Durchmesser von weniger als einem Nanometer auf. Experimentelle Untersuchungen sind oftmals auf die makro- und mesoskopische Größenskala beschränkt und können vergleichsweise wenige Informationen über die atomaren Aggregationsprozesse liefern. Molekulare Simulationen verlaufen im Gegensatz dazu unmittelbar auf der atomaren Detailstufe und stellen so eine hervorragende Ergänzung zum Experiment dar. Im Computer werden dabei Modellszenarien entwickelt, die Aufschlüsse über die elementaren Schritte der Aggregation von Ionen geben können und aufzeigen, wie sich zunächst ungeordnete Agglomerate allmählich zu periodisch geordneten Strukturen organisieren.

The study of crystal nucleation represents a considerable challenge to both experiment and theory. Crystallisation from solutions is initiated by the association of only a few ions. The resulting aggregates are the embryonic precursors to crystals and exhibit diameters of less than a nanometre. While experimental studies offer a wide variety of insights at the macroscopic scale, the atomistic level of detail often remains elusive. On the other hand, computer simulation approaches may easily achieve microscopic resolution and hence appear particularly suited for analysis of the mechanisms of ion aggregation. On the basis of atomistic models, new insights are obtained into the early steps of ion association and the self-organisation of disordered aggregates into crystalline structures.

Seifert, Gotthard; Heine, Thomas:
Computersimulationen: Struktur, Dynamik und Eigenschaften von Nanostrukturen
Computer simulations: Structure, dynamics and properties of nanostructures

Die Untersuchung von Struktur, Dynamik und Eigenschaften von Nanostrukturen ist ein zentraler Bestandteil der Forschungsarbeit der Arbeitsgruppe "Theoretische Chemie" (Professur Physikalische Chemie) an der TU Dresden. Das Spektrum der Arbeiten umfasst die Berechnung von mechanischen und elektronischen Eigenschaften von Nanostrukturen, einschließlich Nanodrähten, Nanotubes, Käfigstrukturen und metallorganischen Netzwerken, die Berechnung der Wechselwirkung von Nanostrukturen mit anderen Nanostrukturen, mit Oberflächen und Biomolekülen. Weiterhin werden die Möglichkeit der Speicherung von Gasen in Nanostrukturen, die Protonenleitfähigkeit in verschiedenen Medien, die elektronischen Transporteigenschaften von Nanostrukturen und die Wachstumsmechanismen von Netzwerkstrukturen untersucht.

Investigation of the structure, dynamics and properties of nanostuctures is a central topic in the research activities of the working group "Theoretical Chemistry" (Chair of Physical Chemistry) at the TU Dresden. The spectrum covers calculations of the mechanical and electronic properties of nanostructures, including nanowires, nanotubes, cage structures and metal-organic networks, as well as calculations of the interactions between nanostructures with surfaces and biomolecules. Furthermore, the potential of nanostructures for gas storage, the proton conductivity in various media, electronic transport in nanostructures and the growth mechanisms of network structures are investigated.

Synthese

Seit dem Beginn der 80-er Jahre des vergangenen Jahrhunderts hat die Synthesechemie eine große Zahl von neuartigen Stoffen hervorgebracht, die kunstvolle Nanostrukturen aufweisen. Einen wesentlichen Impuls erhielten diese Forschungen aus der Biologie. Ähnlich wie in der Biologie werden schwache nichtkovalente Wechselwirkungen genutzt, um supramolekulare Strukturen aufzubauen Hierbei lassen sich Bildungsprinzipien wie Selbsterkennung und Selbstorganisation wiederfinden, wie sie von biomolekularen Strukturen bekannt sind. Selbstähnliche Strukturen sind in den Dendrimeren, benannt nach dem griechischen Wort für Baum - dendron - verwirklicht. Käfigartige Strukturen des Kohlenstoffs, die Fullerene, öffnen das Tor zu einer vollständig neuen Kohlenstoffchemie. Unter Ausnutzung von Selbstassemblierungseigenschaften sind mit ihnen Sekundärstrukturen aufbaubar, ähnlich wie wir es von Proteinen kennen. Neuartige Polymerkonstrukte, bestehend aus Baugruppen mit stark unterschiedlichen Eigenschaften wie beispielsweise Wasser abweisend und aufnehmend, können zum Aufbau von Materialien mit schaltbaren Eigenschaften genutzt werden. Mit dem Erzeugen maßgeschneiderter Nanoporen können Nanoreaktoren erzeugt werden, die für die chemische Verfahrenstechnik, insbesondere für die Katalyse, die Gasspeicherung und die selektive Adsorption, hochinteressant sind.

Synthesis

Since the early 1980s, synthetic chemistry has produced a large number of innovative substances with elaborate nanostructures. This research has inherited significant momentum from biological studies. As in biology, weak non-covalent interactions can be used to build supramolecular structures. In this context, we discover principles of self-recognition and self-organisation already known from biomolecular structures. Self-similar structures are realised in dendrimers, whose name is derived from "dendron", the Greek word for tree. Cage-like carbon structures, the so-called fullerenes, open the gates to completely new aspects of carbon chemistry. By exploiting their self-assembling properties, it is possible to create secondary structures similar to those known from proteins. Innovative polymer constructions, comprising elements with vastly different properties, for example hydrophilic and hydrophobic elements, can be used to design materials with switchable properties. Through the creation of tailored nanopores, it is feasible to develop nanoreactors with highly interesting possibilities for use in chemical process engineering, in particular in catalysis, gas storage and selective separation.

Gloe, Karsten; Gloe, Kerstin; Heßke, Holger; Lindoy, Leonard F.:
Supramolekulare Chemie: Vom Einzelmolekül zur komplexen Funktionseinheit
Supramolecular chemistry: From single molecules to complex functional units

Die Chemie erfährt gegenwärtig einen interessanten Übergang von der traditionellen Betrachtung der Einzelmoleküle hin zu großen komplexen Funktionseinheiten. Besonders das wachsende Verständnis biologischer Prozesse als auch die steigenden Forderungen nach neuen Werkstoffen mit einem spezifischen Eigenschaftsprofil führten zur gezielten Konstruktion definierter Baueinheiten auf der Nanometerskala. Dabei werden in intelligenter Weise reversible Bindungsprozesse auf Basis schwacher nichtkovalenter Wechselwirkungen, wie koordinative und Wasserstoffbrückenbindungen, Van-der-Waals-Kräfte sowie p-p- und elektrostatische Wechselwirkungen, genutzt. Aufbauend auf den natürlichen Prinzipien der molekularen Erkennung und Selbstorganisation ist die supramolekulare Chemie heute eine der Säulen in der Entwicklung der Nanotechnologie. Im Beitrag wird ein Überblick über wesentliche Aspekte der supramolekularen Chemie, ihre Anknüpfung an biologische Prinzipien und ausgewählte Nutzungsmöglichkeiten gegeben.

At present chemistry is undergoing an interesting change from the traditional preparation and investigation of single molecules to the construction and use of more complex functionalized architectures. Especially the better understanding of biological processes and the demand to create new materials with specific properties lead to a development of novel nanostructured assemblies that are held together by reversible weak interactions, that include coordination and hydrogen bonds, van der Waals forces as well as p-p and electrostatic interactions.
Based on the smart use of Nature's principles of molecular recognition and self-assembly, the supramolecular chemistry is now one of the pillars within the framework of nanotechnology. This contribution gives an overview on the basic concepts of supramolecular chemistry, the latter's connections with biological systems and foreseeable applications.

Dunsch, Lothar; Yang, Shangfeng:
Die Welt der endohedralen Fullerene - eine bunte Facette der Nanostrukturen
The world of endohedral fullerenes - a colourful facet of nanostructures

Die Vielfalt der Strukturen endohedraler Fullerene wird in diesem Beitrag in einem Überblick dargestellt. Die Rolle des Innenraumes in Fullerenen wird am Beispiel der Metallofullerene, des N@C₆₀ sowie der inkludierten Edelgase behandelt. Im Hauptteil des Beitrages wird die Vielfalt der endohedralen Fullerene für inkludierte Cluster beschrieben und die Erweiterung der Käfiggröße bis zum C₁₀₀ behandelt. Abschließend wird ein Ausblick auf neue endohedrale Fullerene und mögliche Anwendungen dieser Fullerenstrukturen gegeben.

This paper reviews the structural diversity of endohedral fullerenes. The special situation of endohedral fullerenes is discussed for metallofullerenes and N@C₆₀, as well as the noble gases in C₆₀. As a general principle in endohedral fullerene research, the stabilising ability of the encaged ions or clusters is important for the fullerene cage architecture, while on the other hand the fullerene cage can also stabilise the encaged species. Applying this principle, a large variety of endohedral fullerenes can be prepared, extending the cage size up to C₁₀₀. Finally, the review discusses the possible applications of these carbon nanostructures.

Uhlmann, Petra; Houbenov, Nikolay; Ionov, Leonid; Motornov, Michail; Minko, Sergiy; Stamm, Manfred:
Oberflächen passen sich an - bürstenartige Polymermoleküle an Oberflächen mit schaltbaren Eigenschaften
Adaptable surfaces - brush-like polymer molecules at surfaces with switchable properties

Oberflächen bestimmen in vielen Fällen das Erscheinungsbild und wichtige Gebrauchseigenschaften von Materialen. Bereits wenige Nanometer dünne Polymerfilme können diese Eigenschaften signifikant verändern und erlauben es, diese Eigenschaften sogar zu schalten, sodass ein Film beispielsweise Wasser abweisen oder aufnehmen kann. Hierzu werden Polymerbürsten aus zwei sehr verschiedenen Polymeren mit dem einen Ende fest an ein Substrat gebunden. In Abhängigkeit von den äußeren Bedingungen können sie sich dann wechselseitig an der Oberfläche anreichern, sodass die Oberflächeneigenschaften jeweils durch das eine oder andere Polymer bestimmt werden. Dieser rein physikalische Schaltprozess kann durch externe Stimuli (selektive oder nichtselektive Lösungsmittel, pH-Wert, Temperatur etc.) initiiert werden, wobei die physiko-chemischen Oberflächeneigenschaften (Benetzbarkeit, Funktionalität etc.) zwischen den durch die Eigenschaften der verwendeten Polymere bestimmten Extremwerten hin und her schalten können.

It is the surface which in many cases determines the appearance and application-relevant properties of a material. Thin films of polymer brushes just a few nanometres in thickness can change the surface properties significantly and may provide even switching capabilities, where the thin film will for instance take up or repel water. Polymer brushes of two largely different polymer materials must in this case be tightly attached at one end to a solid substrate and will then occupy alternatively the upper or lower surface layer, depending on external conditions. In this way, either one or the other polymer material will be exposed and influence the surface properties. This purely physical switching process can be controlled by external triggers (selective or non-selective solvents, pH value, temperature, etc.). The physico-chemical surface properties (wettability, functionality etc.) switch between values established by the properties of the polymer materials involved.

Appelhans, Dietmar; Voit, Brigitte:
Dendrimere als vielseitige, nano-skalige Objekte für biomimetische, biomedizinische und katalytische Fragestellungen
Dendrimers as versatile, nano-scale objects for biomimetic, biomedical and catalytic applications

Dendrimere sind aufgrund ihrer dreidimensionalen Makromolekülstruktur und -form und ihrer steuerbaren Eigenschaften sowohl an der Oberfläche als auch im Molekülinneren ideale Modellverbindungen im Nanometerbereich - sie sind zwischen 1 und 10 nm groß -, die vorzugsweise in der Medizin, Pharmazie, Biologie, Supramolekularen Chemie, Nanotechnologie und den Materialwissenschaften eingesetzt werden. Aufgrund ihrer hohen Endgruppendichte und der kompakten, stark verzweigten Molekülform werden Dendrimere unter anderem als Trägermaterialien und Transportsysteme für Wirkstoffe und Metallionen, zum Beispiel als Kontrastmittel zur Visualisierung von Organen und Blutgefäßen, als Template für metallische Nanopartikel, zur Erzeugung künstlicher Enzymfunktionen und in der Katalyse erfolgreich untersucht.

With their three-dimensional macromolecular structure and shape, and with their tuneable properties in both the inner and outer spheres, dendrimers are ideal model compounds in the nanometre range between 1 and 10 nm. The possibility to combine different properties within one macromolecule destines them for use in various high-end research fields such as medicine, pharmacy, biology, supramolecular chemistry, nanotechnology and material sciences. On the basis of their high end-group density and a compact, highly branched molecular structure, dendrimers are successfully investigated as carrier systems for active substances and metal ions (e.g. contrast agents for the visualisation of blood vessels), as templates for metal nanoparticles, as artificial enzymes with defined functions, and as materials for catalysis.

Gottlieb, Ronny; Arndt, Karl-Friedrich:
Intelligente Werkstoffe - Vom Makromolekül zum intelligenten Material
Intelligent engineering materials - from macromolecules to intelligent polymers

Umgebungssensitive Polymere ändern in Abhängigkeit von Umgebungsbedingungen, wie zum Beispiel dem Licht, der Temperatur, dem pH-Wert oder der Konzentration einer zweiten Komponente neben dem Polymer, drastisch ihre Molekülgestalt. Vernetzt und in Wasser gequollen, bilden sie sogenannte smarte Hydrogele. Dabei werden die Besonderheiten eines Makromoleküls, dessen Eigenschaften durch die Umgebung beeinflusst werden, auf ein polymeres Material übertragen. Dies kann ein großer Körper, eine dünne Schicht oder ein Nanopartikel sein. Das Volumen der smarten Hydrogele kann zwischen zwei Zuständen geschaltet werden. Dabei können die Hydrogele wie Aktoren eine Kraft ausüben. Da das Schalten durch die Umgebung stimuliert wird, sind sie als Sensoren verwendbar. Die Polymerstrukturen sind miniaturisierbar, sodass smarte Hydrogele als Komponenten in Mikrosystemen angewendet werden können. Zum Beispiel werden die Partikel zur kontrollierten Abgabe von Arzneimittelwirkstoffen verwendet.

Sensitive polymers change their conformation in response to even a little change in the environmental conditions, e. g. temperature, pH value, concentration of a second component, or light. Crosslinking of these polymers and their swelling in water forms smart hydrogels (intelligent hydrogels). Different shapes and dimensions are possible: bulk gel, thin layers, intra- or intermolecular crosslinked globular particles. Smart hydrogels display two important properties: Their volume (swelling degree) depends on the environment and can be switched between two states. The gels can thus be used as actuators. As the change in the gel properties is stimulated by changes in the environment, the gels can also be used as sensors. Smart hydrogels are suitable for applications in microsystems, and gel particles are potential carriers for drugs in the human body.

Reschetilowski, Wladimir; Toufar, Helge:
Zeolithe - Maßgeschneiderte "Reaktionsgefäße" mit Nanodimensionen
Zeolites - tailored "reaction vessels" of nanodimensions

Der Beitrag gibt einen kurzen Überblick zum Stand und zu Perspektiven zeolithischer Molekularsiebe als vielseitige mikroporöse Materialien für Wissenschaft und Technik. Zeolithe sind kristalline Gerüst-Alumosilicate. Das regelmäßige Porensystem der Zeolithe mit Hohlräumen und Kanälen in Subnanometerdimensionen sowie die daraus resultierenden charakteristischen Eigenschaften prädestinieren sie für einen breiten Einsatz als Ionenaustauscher, Adsorbentien und Katalysatoren in der chemischen Technik. Die neueren Erkenntnisse der Zeolithforschung belegen, dass das Anwendungspotenzial zeolithischer Molekularsiebe noch lange nicht erschöpft ist und dass vielfältige Teilgebiete der Chemie, Physik, Biologie, Mikrostrukturtechnik etc. dieser Substanzklasse zunehmendes Interesse entgegenbringen.

This contribution presents a short overview of the state-of-the-art and prospects of zeolitic molecular sieves as versatile microporous materials for science and technology. Zeolites are crystalline framework aluminosilicates. The regular pore system of the zeolites, with cavities and channels of subnanometre dimensions, as well as the characteristic properties resulting therefrom, predestine them for a broad range of applications as ion exchangers, adsorbents and catalysts in chemical technology. The most recent results of zeolite research prove that the potential of zeolitic molecular sieves is still far from being exhausted, and that various subsections of chemistry, physics, biology, microstructure technology, etc. are directing increasing interest to this substance class.

Kaskel, Stefan:
Poröse Materialien in Baukastenweise
Porous materials for modular construction

Rasante Entwicklungen zeichnen sich im Bereich der porösen Materialien ab. So lassen sich heute Porengrößen im Bereich weniger Nanometer gezielt einstellen. Metal-Organic Frameworks (MOFs) weisen gigantische Oberflächen bis zu 4500 m²g^-1 auf und können heute in Baukastenweise aus anorganischen und organischen Modulen systematisch aufgebaut werden. Damit kann die Porengröße gezielt für die Einlagerung kleiner Moleküle wie Methan und Wasserstoff zugeschnitten werden. Doch auch größere Einheiten wie Fullerene und Farbstoffmoleküle können selektiv adsorbiert werden. Schon jetzt zeichnen sich vielseitige Einsatzmöglichkeiten ab, insbesondere in der Gasspeicherung, Adsorption und heterogenen Katalyse.

In recent years impressive progress has been made in the area of porous materials. Pore sizes are nowadays easily adjusted in the range of only a few nanometres.  Metal-organic frameworks (MOFs) display high specific surface areas up to 4500 m²g^-1 and can be assembled from inorganic and organic building blocks. The modular construction allows specific adjustment of the pore size for the adsorption of small molecules such as hydrogen and methane, although larger molecules such as fullerenes and organic dyes can similarly be adsorbed with high selectivity.
A wide range of applications in gas storage, separation and heterogeneous catalysis is feasible.

Steller, Laura; Schulze, Renate; Habicher, Wolf D.; Wolff, Thomas; Steiner, Gerald; Salzer, Reiner:
Die Entwicklung eines lichtgesteuerten Molekularschalters - ein Nanobauteil für den Einsatz in funktionellen Schaltkreisen und Nanomaschinen
Engineering of a light-gate mulecular switsch - a nanocomponent for use in functional devices and nanomachines

Unser Ziel ist die Entwicklung eines lichtinduzierten Molekularschalters für künstliche Ionenkanäle, der als Nanobauteil für die Entwicklung von Sensoren in mikrofluiden Systemen, in biomimetischen Sensoren und in verschiedenen technischen Baugruppen eingesetzt werden soll. Für ein stabiles und zugleich reversibles System ist der Schaltmechanismus entscheidend, da die künstlichen Ionenkanäle bisher - soweit bekannt - keinen Regelmechanismus besitzen.
Unser künstlicher molekularer Schalter setzt sich aus einem Rumpfteil (Calix[4]resorcinaren) und einer Schalteinheit, basierend auf lichtempfindlichen Azogruppen, zusammen. Die Schalteinheit ist sehr widerstandsfähig, kann den Ionenfluss blockieren oder die Ionen durch den Ionenkanal passieren lassen. Durch Bestrahlung wird die Kanalaktivität unterdrückt und reversibel wiederbelebt. Mittels Patch-Clamp-Untersuchungen wird das Schalten der synthetischen Ionenkanäle überprüft.

Our target is the engineering of a light-gate molecular switch for the artificial ion channel, which will enable artificial ion channels to operate successfully in microfluidic systems, biomimetic sensors and various technical devices. A stable but reversible switch mechanism design is crucial, because the artificial ion channels known to date are lacking any control mechanism.
Our artificial molecular switch is divided in two parts: the body part (calixarene) and a gate part based on light-responsive azo groups. The key to the controlling mechanism is the conformational change between cis and trans isomers, which is translated into movement of the gate. The gate is very robust and can either block or let the ions pass the molecular switch. Patch clamp investigations indicate successful integrations of gated artificial ion channels into lipid membranes.

Struktur und Eigenschaften

Am Anfang der Nanotechnologieforschung in den Jahren um 1980 standen zwei großartige Erfindungen der technischen Physik - das Rastertunnelmikroskop und das Rasterkraftmikroskop, oft auch als Atomkraftmikroskop bekannt. Mit beiden Geräten ist es möglich, mit atomarer Auflösung die Struktur von Nanoobjekten aufzuklären. In der Folgezeit wurden diese beiden Nanowerkzeuge perfektioniert, sodass sie nicht nur neue Einblicke in die Nanostrukturen erlauben, sondern auch zu deren Aufbau aus einzelnen molekularen oder atomaren Bausteinen genutzt werden können. Wie die folgenden Beiträge zeigen, geht die Suche nach neuen Methoden zur Nanostrukturaufklärung weiter. Dresdner Physiker widmen sich hierbei insbesondere der Nutzung von Röntgenstrahlung und Lichtwellen.

Mit den verfügbaren Methoden kommt es immer wieder zu überraschenden, neuen Einsichten zum Aufbau von Nanostrukturen. So stellte es sich erst in allerjüngster Zeit heraus, dass in den berühmten Damaszener Schwertern Kohlenstoffnanoröhren eingebettet sind, die möglicherweise auch einen Beitrag zu den ungewöhnlichen Eigenschaften dieser historischen Schwerter leisten. Mit den neuen Herstellungsverfahren können die Eigenschaften der Nanostrukturen heute oftmals schon "maßgeschneidert" werden. Ein interessantes, in Dresden praktiziertes Beispiel ist das Füllen der Kohlenstoffnanoröhren mit Metallen. Auf diese Weise können sie zum Beispiel magnetisch werden. Der Kreis zu neuen Messmethoden schließt sich, indem diese Nanoröhren für den Bau von magnetischen Rasterkraftmikroskopen oder Nanothermometern verwendet werden.

Structure and properties

The beginnings of nanotechnology research around 1980 coincided with two major inventions in the field of technical physics - the scanning tunnelling microscope and the atomic force microscope. Both devices enable us to investigate the structure of nano-objects at atomic resolution. In the meantime, these tools have been perfected to the extent that they not only permit new insights into nanostructures, but can also be used to build such structures from individual molecules or atoms. As shown in the following contributions, the search for new methods of nanostructure investigation is continuing. Dresden physicists are here devoting attention particularly to the use of x-rays and light waves.

The available methods frequently reveal surprising new views of nanoscale structures. Only recently, for example, carbon nanotubes were found embedded in the famous damascene swords, which could possibly explain the unusual properties of these historical weapons. By new manufacturing processes the properties of nanostructures can be tailored. One interesting possibility practised in Dresden is to fill carbon nanotubes with metals, whereby they can be magnetised, for example. This then completes the circle back to new measuring techniques, as these nanotubes can be used to construct magnetic atomic force microscopes or nanothermometers.

Meyer, Dirk C.; Schroer, Christian G.:
Röntgenblick in die Nanowelt
X-ray window to the nanoworld

Für die Aufklärung geordneter Nanometer-Strukturen und die hochpräzise Vermessung der Atomanordnung in kristallinen Festkörpern ist die Röntgenstrahlbeugung das wichtigste Werkzeug. Mit Hilfe der Mikroskopie mit Röntgenstrahlung können auch ungeordnete und sogar lebende Objekte direkt abgebildet werden. Die Auflösung dieser Abbildungen unter Nutzung verschiedener Kontraste erreicht nach dem Stand der Technik gerade die Grenze des Nanometerbereiches. Für die Zukunft wird eine Synthese beider Methoden und so auch die weitere Verschiebung der Grenze der erreichbaren Auflösung erwartet.

For investigations of ordered nanometre structures and for high-precision measurement of the atomic order in crystalline solids, X-ray diffraction is the most important tool. With the aid of X-ray microscopy, unordered and even living objects can also be imaged directly. The resolution of these images, applying different contrast techniques representing the state of the art, reaches the nanometre range. In the future, a synthesis of both methods could yield a shift of the spectral resolution down to the atomic level.

Härtling, Thomas; Olk, Phillip; Wenzel, Marc Tobias; Eng, Lukas M.:
Metallpartikel erhellen die Nanowelt: Optische Nahfeldmikroskopie an organischen Fluoreszenzmolekülen
Enlightening the nanoworld with metal particles: Scanning near-field optical microscopy of organic fluorescent molecules

Die moderne optische Mikroskopie erlaubt es, der Nanowelt immer neue spannende Erkenntnisse zu entlocken. Jedoch ist die herkömmliche Lichtmikroskopie in ihrer Auflösung begrenzt und im Hinblick auf die geringe Intensität nanoskopischer Lichtquellen häufig nicht empfindlich genug. Um diese Probleme zu umgehen, wird am Institut für Angewandte Photophysik (IAPP) der TU Dresden die sogenannte optische Nahfeldmikroskopie eingesetzt. Hierbei dienen optisch aktive Sonden als Schnittstelle zwischen makroskopischer und nanoskopischer Welt. Diese am IAPP entwickelten neuartigen Sonden sind mit metallischen Nanopartikeln besetzt. Das Nahfeldmikroskop erlangt mit derartigen Sonden ein Auflösungsvermögen, welches weit jenseits der Möglichkeiten konventioneller Mikroskope liegt. Die Sonden können einfach und schnell hergestellt werden und erlauben der Nahfeldmikroskopie bisher unerreichte Einblicke in die Nanowelt.

Modern optical microscopy is gaining deeper and deeper insight into the nanoworld. Conventional microscopy faces restrictions by both the diffraction limit and its sensitivity concerning the low intensities of nanoscale light sources. To be able to circumvent these drawbacks, scanning near-field optical microscopy (SNOM) has been implemented at the Institute of Applied Photophysics at the TU Dresden by applying optically active scanning probes in order to constitute interfaces between the macroscopic and the nanoscopic world. New probes functionalised with metal nanoparticles can resolve structures which are unreachable by traditional methods (~ 50 nm). Our work has led to inexpensive and fast fabrication of such probes allowing an unprecedented views of the nanoworld.

Meyer, Dirk C.; Paufler, Peter; Pompe, Wolfgang:
Strukturelles Design auf der Nanometerskala
Structural design on the nanometre scale

Für zahlreiche technische Anwendungen müssen kondensierte Materialien auf der Nanometerskala gezielt hergestellt und manipuliert werden. Dies bedeutet häufig die Schaffung einer Ordnung mit charakteristischen Längen in der Größenordnung der Ausdehnung einzelner Atome. Neben der Möglichkeit, den Festkörper "Atom für Atom" mit geeigneten Verfahren aufzubauen, können auch gezielte lokale Umwandlungen durch Energieeintrag modifizierte Strukturen, welche neuartige und technisch nutzbare Eigenschaften aufweisen, hervorbringen.

For numerous technical applications, condensed materials must be specifically produced and manipulated on the nanometre scale. This frequently means the creation of an order with characteristic lengths in the range of extension of single atoms. Besides the possibility of constructing a solid "atom by atom" with suitable procedures, specific local transformations driven by energy input can also produce modified structures which display new and technically utilisable properties.

Klingeler, Rüdiger; Kramberger, Christian; Müller, Christian; Pichler, Thomas; Leonhardt, Albrecht; Büchner, Bernd:
Funktionalisierte Kohlenstoffnanoröhren: Materialforschung in der Nanowelt
Functionalised carbon nanotubes: Materials research in the nanoscale

Außergewöhnliche Materialeigenschaften machen Kohlenstoffnanoröhren zu einem vielseitigen nanoskaligen Werkstoff. Füllt man sie zum Beispiel mit metallischen oder ferromagnetischen Materialien, so ergeben sich durch eine Kohlenstoffhülle geschützte "Nano-Kabel" oder Nano-Magnete. Neben verschiedenen Syntheseverfahren wie der Laserablation und der Chemischen Gasphasenabscheidung werden grundlegende physikalische Eigenschaften sowie Anwendungen in der Messtechnik und in der Medizin vorgestellt. In der Magnetkraftmikroskopie versprechen magnetisch gefüllte Kohlenstoffnanoröhren eine hohe laterale Auflösung bei gleichzeitigem Schutz des magnetischen Messsensors durch die Außenhülle. Im Bereich der biomedizinischen Anwendungen stellen Kohlenstoffnanoröhren ein nanoskaliges Transportmedium dar, das zum Transfer von Funktionsmaterialien in einzelne Zellen, zum Beispiel für magnetische Sensorik oder für Medikamententransporte, angewendet werden kann.

Thanks to their extraordinary properties, carbon nanotubes reveal a promising potential for applications on the nanometre scale. When filled with metals or ferromagnets, nano-wires and magnets with a protecting carbon shell are realised. Different synthesis routes are described, such as laser ablation and chemical vapour deposition. Probes for magnetic force microscopy based on iron-filled carbon nanotubes are presented, and demonstrate a high spatial resolution, with the carbon shells at the same time providing effective wear resistance. We show also the potential of carbon nanotubes for biomedical applications, in particular their suitability as magnetic nano-heaters, drug-carrier systems or sensors for diagnostic and therapeutic usage on the cellular level.

Biologie und Nanotechnologie

Das Zusammentreffen von Biologie und Nanotechnologie ist wohl eine der spannendsten und folgenreichsten wissenschaftlichen Entwicklungen an der Schwelle unseres Jahrhunderts. Zum einen erweist sich die Nanotechnologie als ein großartiges Werkzeug, um den Erkenntnisfortschritt in der molekularen Zellbiologie weiter zu beschleunigen. Vereinfacht können wir die lebende Zelle als eine hoch organisierte Fabrik betrachten, in der mannigfaltige zelluläre Maschinen in einem durch die Evolution optimierten Wechselspiel agieren. Ein messender und steuernder Eingriff in diese Mechanismen mit physikalischen Methoden verlangt Werkzeuge, die selbst mit den zellulären Maschinen hinsichtlich Größe und Energieeintrag vergleichbar sind. Die Nanotechnologie bietet solche Messverfahren an, die natürlich an die Besonderheiten der biologischen Umgebung angepasst werden müssen. Somit steht hier der methodische Fortschritt der Nanotechnologie ganz im Dienst der Biologie.
Aber auch die alternative Entwicklung ist zu beobachten. Bei der Suche nach neuen Wegen zum Erzeugen von Nanostrukturen greifen wir in zunehmendem Maße auch auf biologische Baueinheiten zurück. So werden DNA oder Proteine als Vorlagen - sogenannte Template - oder als Nanoreaktionsgefäße (zum Beispiel in Form von Proteinkäfigen) für den Aufbau von artifiziellen Nanostrukturen benutzt. Noch größere Komplexität wird erreicht, wenn zelluläre Maschinen oder sogar lebende Zellen in ein artifizielles Material funktionsfähig integriert werden. Hier wird die Biologie in den Dienst der Weiterentwicklung der Nanotechnologie gestellt.

Biology and nanotechnology

The interactions of biology and nanotechnology represent probably one of the most exciting and most momentous scientific developments at the threshold to our new century. On the one hand, nanotechnology is proving an indispensable tool for further acceleration of our insights into molecular cell biology. In simplified terms, we can view living cells as highly organised factories in which diverse cellular machines operate in interdependent relationships optimised over the course of evolution. Physical interventions into these mechanisms for purposes of measurement or control call for tools which are themselves comparable to the cellular machines in respect of size and energy input. Nanotechnology offers measuring procedures which can be modified to match the special conditions of a biological environment. The methodical advances in nanotechnology are thus placed wholly in the service of biology.
At the same time, however, the alternative approach is also to be observed. In our search for new ways to produce nanostructures, we are ever more frequently exploiting biological building blocks. DNA and proteins are used as templates or nanoscale reaction vessels (for example in the form of protein cages) for the elaboration of artificial nanostructures. Even greater complexity can be achieved where functioning cellular machines or even living cells are integrated into artificial materials. In this case, it is biology which stands in the service of progress in nanotechnology.

Heisenberg, Carl-Philipp; Müller, Daniel J.:
Beobachten und Ertasten zellulärer Maschinen
Watching and sensing cellular machines

Wie erledigen zelluläre Maschinen ihre Aufgaben? Wie funktionieren sie? Zur Beantwortung dieser Fragen werden in unserer wissenschaftlichen Arbeitsgruppe bionanotechnologische Methoden entwickelt, die es ermöglichen, diese nur wenige Nanometer großen Maschinen bei der Ausübung ihrer Arbeiten zu beobachten. Gleichzeitig detektieren diese Methoden molekulare Wechselwirkungsmechanismen, die die einzelnen Maschinen der Zelle steuern. Erste Beispiele zeigen den Einfluss pharmazeutischer Wirkstoffe zur Regulierung der Proteinfunktion im molekularen Detail. Hierdurch werden völlig neue Möglichkeiten geschaffen, um molekulare Schalter zellulärer Maschinen zu finden und zu betätigen.

How do cellular machines function to fulfil their specific tasks so efficiently? How are they regulated? We apply and develop bio-nanotechnological approaches to directly observe these nanoscale cellular machines while they are at work. At the same time, we can gain insights into the working schedule of a cell, and can detect molecular mechanisms which drive and direct single cellular machines. With this unique possibility to reveal the switching mechanisms of the cellular machines, we could apply these switches to purposefully direct and regulate cellular processes. First examples follow the actions of pharmacological compounds on the function of a cellular machine at molecular resolution, and provide hitherto unexpected perspectives to develop and optimise such compounds to precisely target the function of cellular processes.

Schwille, Petra:
Zwei-Photonen-Kreuzkorrelations-Spektroskopie: Nachweis der Interaktionen einzelner Moleküle in der lebenden Zelle
Two-photon cross-correlation spectroscopy: Analysing the interactions of single molecules in the live cell

Die zunehmende Miniaturisierung bis hin zum nanoskopischen Maßstab in vielen technischen Disziplinen hat auch die Lebenswissenschaften ergriffen. Dies ist insofern von großer Bedeutung, als die Proteine als kleinste funktionale Einheiten des Lebens trotz ihrer winzigen Abmessungen eine faszinierende Komplexität aufweisen, die es ihnen erlauben, hoch differenzierte und spezialisierte Aufgaben in der Zelle und im Organismus zu übernehmen. Aus diesem Grund werden sie in der modernen Biologie auch als molekulare oder zelluläre "Maschinen" bezeichnet. Um diese kleinen Wunderwerke zu studieren und ihre Funktionsweise in ihrer natürlichen Umgebung zu analysieren, bedarf es innovativer Technologien, die es erlauben, mit maximaler räumlicher und zeitlicher Auflösung auch einzelne Moleküle in der lebenden Zelle sichtbar zu machen und zu verfolgen. Im Folgenden wird eine von uns entwickelte fluoreszenzspektroskopische Methode vorgestellt, mit deren Hilfe die komplizierten Interaktionen zwischen Proteinen in der lebenden Zelle aufgeklärt werden können.

The progress of miniaturisation towards the nanoscopic scale in science and technology has also influenced the biosciences. This is particularly important, since proteins, as the smallest functional units of life, exhibit a spectacular wealth of functionalities, enabling them to fulfil complex tasks in cells and organisms. For this reason, they are often termed molecular or cellular "machines". To be able to investigate and better understand these fascinating molecules in their native environment, new analytical methods must be developed, with appropriately high sensitivity and spatial and temporal resolution. We describe one very promising technique based on fluorescence spectroscopy, which allows a quantitative analysis of protein-protein interactions in the live cell.

Neinhuis, Christoph; Löthmann, Per; Koch, Kerstin:
"There is Plenty of Room for Nanostructured Surfaces" - die Welt der nanostrukturierten biomimetischen Oberflächen
"There is Plenty of Room for Nanostructured Surfaces" - The world of nanostructured biomimetic models

Der Nano- und Mikrostrukturierung zugrunde liegende Selbstorganisationsprozesse sind sowohl in der Natur als auch in der Technik zu finden. Sie stellen die Grundlage für einen effizienten Strukturierungsmodus von Oberflächen dar, der bis in die molekulare Ebene hineinreicht. Bei Metallen lassen sich durch komplexe Transport-, Diffusions- und Präzipitationsvorgänge, wie z. B. durch die elektrochemische Strukturierung von Aluminium-, Edelstahl- oder Kupferoberflächen, Strukturen herstellen, die für die Funktionalität weitgehend verantwortlich sind. Durch ähnliche Vorgänge bilden sich auf pflanzlichen Oberflächen mikro- bis nanoskalige Strukturen aus. Das Interesse für Strukturen in kleinen Dimensionen und ihre Rolle bei der Entwicklung von Materialien mit neuartigen Eigenschaften bekam einen enormen Auftrieb durch die klassische Rede [1] des Physikers und Nobelpreisträgers Richard P. Feynman vom 12. Dezember 1959. Sein für damalige Zeiten visionärer Satz "There is Plenty of Room at the Bottom" fand seinen Niederschlag in verschiedenen Forschungsrichtungen.

Self-assembly processes resulting in nano- and microstructures are to be found both in nature and in engineering. They are the basis for highly efficient ways of structuring surfaces down to the molecular level. In metals, complex procedures at surfaces, e. g. electrochemical deposition, involving transport, diffusion and precipitation, allow structures to emerge with responsibility for various functions. On plant surfaces, there are similar processes which result in nano- and microstructures. The interest in structures in small dimensions and their role in designing new materials was pushed by the famous speech of Richard P. Feynman, physicist and Nobel laureate, on 12th December 1959 [1]. His at that time visionary sentence: "There is plenty of room at the bottom" gave rise to several research approaches.

Rödel, Gerhard; Blecha, Andreas; Mertig, Michael; Pompe, Wolfgang:
Bakterielle Hüllproteine als Matrizen für nanostrukturierte Oberflächen
Bacterial coat proteins as templates for nanostructured surfaces

Eine Vielzahl der bekannten Bakterien ist vollständig von einer geschlossenen, einschichtigen, 5 bis 25 nm dicken Proteinlage umgeben, die aus identischen Untereinheiten einer Proteinspezies zusammengesetzt ist. Diese Surface-layer-Proteine (S-Layer) lassen sich von Bakterien einfach isolieren und lagern sich im Reagenzglas wieder spontan zu porösen Membranen mit hoher Regularität und definierter Gittersymmetrie zusammen. Einige dieser sogenannten S-Layer-Assemblate besitzen bereits in ihrer natürlichen Form interessante Eigenschaften, zum Beispiel können sie als Matrizen für die hoch geordnete Abscheidung von metallischen Nanopartikeln verwendet werden. Durch die Isolation von S-Layer-Genen und deren gerichtete gentechnische Veränderung lassen sich darüber hinaus S-Layer-Varianten erzeugen, die geordnete Membranen ausbilden und gleichzeitig neuartige Eigenschaften aufweisen. In dem Artikel wollen wir die einzigartigen Eigenschaften von S-Layern vorstellen und mögliche Anwendungen in der Nanotechnologie diskutieren.

Many bacteria are enclosed in 5 - 25 nm thick protein layers composed of identical subunits. These surface-layer (S-layer) proteins can easily be isolated from the bacteria and spontaneously assemble in vitro to form porous membranes which exhibit the same regularity and defined symmetry as the authentic S-layer. Already in their native form, a number of S-layer assemblages exhibit interesting properties, e.g. they can be applied as templates for the highly ordered deposition of metal clusters. Isolation and genetic modification of the genes encoding S-layer proteins permit the generation of S-layer variants which still form regular membrane structures, but in addition exhibit novel properties. This article seeks to introduce the unique properties of S-layers and to discuss their possible applications in nanotechnology.

Nanomedizin

Die mögliche Bedeutung der Nanotechnologie für die Gesundheit des Menschen ist gegenwärtig eine weit über das wissenschaftliche Interesse hinausgehende Frage, die letztlich bis hin zu der ethischen Bewertung dieser neuen Technologie reicht. Auf der einen Seite gibt es große Erwartungen, wie zum Beispiel den zielgenauen Transport von Wirkstoffen mittels Nanotransportern in erkrankte Zellen oder die gesteuerte Differenzierung von Stammzellen auf nanostrukturierten Substraten in gewünschte Zelltypen für die regenerative Therapie von bisher nicht behandelbaren Gewebeerkrankungen wie Osteoporose oder Diabetes. Dem entgegen stehen die oftmals durchaus begründeten Bedenken der unerwünschten negativen Wechselwirkung von Nanoteilchen mit dem lebenden Gewebe. Sowohl bei der Produktion als auch bei dem Einsatz und der ungewollten Freisetzung von Nanoteilchen bei der Entsorgung drängen sich solche Fragen auf. Deshalb verlangt eine ganzheitliche Entwicklung der Nanotechnologie von Anbeginn die aktive Mitwirkung von Medizinern, Toxikologen und Experten aus der Umweltforschung. Es gilt, die sich auftuende neue Wissenschaftslandschaft gründlich zu erkunden, um Gebiete mit positiven Entwicklungsmöglichkeiten begründet gegenüber solchen mit einem erhöhten Risikopotenzial abzugrenzen und daraus ethisch begründete Entscheidungen für zukünftige Forschungen und Entwicklungen abzuleiten. Die folgenden drei Beiträge deuten die Vielfalt der sich hierbei eröffnenden Arbeitsgebiete an.

Nanomedicine

The possible significance of nanotechnologies for human health is a question which currently casts its shadows far beyond mere scientific interest, and in the final analysis calls also for an ethical evaluation of the new possibilities. On the one hand, there are great expectations, for example nanocarriers for the targeted delivery of active substances into diseased cells or the controlled differentiation of stem cells on nanostructured substrates for the regenerative therapy of previously untreatable tissue disorders such as osteoporosis or diabetes. On the other hand, there are largely understandable reservations regarding undesirable negative interactions between nanoparticles and the living organism. Not only the production and application of nanoparticles, but also the hazard of inadvertent release during disposal are sources of anxious questions. For this reason, the integral development of nanotechnology demands the active involvement of medical research, toxicologists and environment specialists from the very beginning. It is imperative to explore the newly emerging scientific landscapes as thoroughly as possible, to identify areas with positive potential and to define delimitations from areas of increased risk, as a basis for ethically founded decisions on future studies and developments. The following three articles indicate the broad diversity of fields opened up for research in this context.

Funk, Richard H. W.; Monsees, Thomas K.:
Wirkung von Oberflächenladungen auf Zellen - Beobachtungen in der Nanodimension
Effects of surface charges on living cells - Observations in the nano-dimension

Lebende Organismen und insbesondere die einzelnen Zellen selbst sind Meister in der aktiven Strukturierung auf Nanoebene. So bilden die Zellen nicht nur ihr reichhaltiges "Innenleben" in dieser Dimension, sondern strukturieren auch ihre direkte Umgebung, den extrazellulären Bereich. Bei der Haftung und gerichteten Bewegung der Zellen scheinen nach neueren Befunden auch elektrische Potenziale und Oberflächenladungen mit Mustern bis "hinab" auf die Nanoebene eine Rolle zu spielen. Nanostrukturierte Muster von Ladungen können so auch die Wechselwirkung von Zellen und Geweben mit Implantaten beeinflussen. Diese Beobachtungen führen wieder zurück zu den Zellen selbst, die zum Beispiel im Falle von Ionenkanälen mit hundertstel Nanometer Genauigkeit Topographie und Potenziale kontrollieren. Solche Strukturen könnten zukünftig auch über Chiptechnologie modelliert werden - eine Chance, von der Natur zu lernen und dies technisch umzusetzen.

Living organisms and in particular cells actively structure their inner world in the nano-dimension. Not only organelles are formed by the cells, but also their direct environment, the extracellular matrix. Recent studies show that electrical potentials are similarly important in the process of adhesion and directed migration.
Nanostructured charge patterns may also influence the interactions between cells, tissues and implants used in therapy.
Even small differences in the structure of charged molecules can already change the behaviour of cells drastically. Inside the cell, furthermore, very small topographic features are decisive: In ion channels, dimensions of 1/100 nm are essential for their function.
Such precise structures are nowadays still a technical challenge. When modelling such cellular "electronics" using chip technology, we can learn a lot from nature's tricks in cell physiology.

Koch, Thea; Spieth, Peter M.:
Gesundheitsrisiken inhalierter Partikel
Effects of inhaled particles on human health

Obwohl die schädlichen Auswirkungen inhalierbarer Partikel auf unseren Organismus bisher noch nicht vollständig geklärt sind, kann eine Gesundheitsgefährdung durch Feinstäube als erwiesen angesehen werden. Insbesondere pulmonale und kardiovaskuläre Erkrankungen werden durch Feinstaubexposition ausgelöst oder verschlimmert. Dieser Artikel stellt Aufnahme und Auswirkungen inhalierter Partikel im menschlichen Organismus dar und erörtert potenzielle Gefahren de novo synthetisierter Nanopartikel im Kontext der auch in der breiten Öffentlichkeit kontrovers geführten Feinstaubdiskussion.

Although not all hazardous effects on human health have been clearly defined so far, the health risks of particulate matter can be considered evident. Pulmonary and cardiovascular diseases, in particular, are caused or aggravated by inhaled particulate matter. The aim of this article is to describe the incorporation and the effects on organ function of inhaled particles. Furthermore, the potential risks of de novo synthesised nanoparticles are discussed in the context of the public controversy regarding environmental particulate matter pollution.

Zahnert, Thomas:
Die Nanowelt des Hörens
The nanoworld of hearing

Das menschliche Hörorgan ist für Mediziner und Ingenieure gleichermaßen ein mikromechanisches Wunderwerk mit großem Dynamikbereich. Schallwellen werden vom äußeren Ohr aufgenommen, im Mittelohr in mechanische Schwingungen umgewandelt und an das flüssigkeitsgefüllte Innenohr weitergeleitet. Erst dort erfolgt die Umwandlung der Schwingungsprozesse in ein elektrisches Signal, welches mehrfach verarbeitet an das Gehirn weitergeleitet wird. In den letzten Jahren ist es gelungen, Schwingformen des Mittel- und Innenohres im Nanometerbereich nach akustischer Anregung sichtbar zu machen. Als entscheidendes Messinstrument ist dabei das Laser-Doppler-Vibrometer zum Einsatz gekommen. Die vorliegende Arbeit zeigt beispielhaft, wie sich anhand dieser an der TU Dresden interdisziplinär durchgeführten Untersuchungen das bisherige Bild von den mechanischen Vorgängen des Ohres verändert hat und wie diese Erkenntnisse direkt in die klinische Medizin und Implantatentwicklung übernommen werden konnten.

Engineers and physicians alike are impressed by the micromechanics of the human hearing organ with its broad dynamic range. Sound waves which pass the external ear are transformed into mechanical vibrations in the middle ear and than transferred to the inner ear fluid. The vibrations of the inner ear structures lead to an evoked nerve potential which stimulates the hearing areas in the brain. Nowadays, vibration patterns in the nanometre range are detectable in the smallest middle and inner ear structures by laser Doppler vibrometry measurements. This paper demonstrates how multidisciplinary research at the Technische Universität Dresden has furthered knowledge of the mechanical dynamic processes in the hearing organ. The results influence also clinical investigations concerning new middle and inner ear implants.

Aus dem akademischen Leben der TU Dresden
Academic activities and events of the University

• Ehrungen
  Honours

Fakultät Wirtschaftswissenschaften
Faculty of Economics

Broll, Udo:
Ehrenpromotion für Professor Dr. Václav Klaus
Honorary doctorate conferred upon Professor Dr. Václav Klaus

Fakultät Informatik
Faculty of Informatics

Hölldobler, Steffen:
Ehrenpromotion für Professor Dr. Luís Moniz Pereira
Honorary doctorate conferred upon Professor Dr. Luís Moniz Pereira

Fakultät Architektur
Faculty of Architecture

Lippert, Hans-Georg:
Ehrenpromotion für Professor Peter Kulka
Honorary doctorate conferred upon Professor Peter Kulka

Fakultät Verkehrswissenschaften "Friedrich List"
Faculty of Transport and Traffic Sciences "Friedrich List"

Wieland, Bernhard:
Ehrenpromotion für Professor Dr. Gerd Aberle
Honorary doctorate conferred upon Professor Dr. Gerd Aberle

• Nachrufe
  Obituaries

Fakultät Mathematik und Naturwissenschaften
Faculty of Mathematics and Natural Sciences

Richter, Peter:
In memoriam Professor Erwin Gniza
In memory of Professor Erwin Gniza

Fakultät Elektrotechnik und Informationstechnik
Faculty of Electrical Engineering and Information Technology

Büchner, Peter:
In memoriam Professor Rolf Schönfeld
In memory of Professor Rolf Schönfeld

Fakultät Forst-, Geo- und Hydrowissenschaften
Faculty of Forestry, Geosciences and Water Engineering

Fischer, Klaus; Schiene, Rainer:
In memoriam Professor Friedrich Fischer
In memory of Professor Friedrich Fischer

Universitätsklinikum Carl Gustav Carus
Carl Gustav Carus University Clinic

Gahr, Manfred:
In memoriam Professor Roland Schwarze
In memory of Professor Roland Schwarze

Nachrichten aus Hochschulpolitik, Forschung und Lehre der Universität
News from politics, research and teaching of the University

• Berufung von Professorinnen/Professoren und Hochschuldozenten
  Appoinment as professors and university lecturers
• Jubiläen
  Anniversaries
• Impressum
  Imprint