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Slide 1Mikrosysteme
Grundlagen Grundlagen Mikro- und NanosystemeMikro- und Nanosysteme
Mikro- und Nanosysteme in der Umwelt, Biologie und MedizinMikro- und Nanosysteme in der Umwelt, Biologie und Medizin
LängenskalenLängenskalen
Dr. Marc R. DusseillerDr. Marc R. Dusseiller
Slide 2Mikrosysteme
LängenskalenLängenskalen
Slide 3Mikrosysteme
“… “… nothing is great or little otherwise than by comparison.”nothing is great or little otherwise than by comparison.”
Jonathan SwiftJonathan Swift, “, “Gulliver’s Travels”, 1726Gulliver’s Travels”, 1726
Irish essayist, novelist, & satirist (1667 - 1745)Irish essayist, novelist, & satirist (1667 - 1745)
Slide 4Mikrosysteme
KernlehrinhaltKernlehrinhalt
Längenskalen in der FabrikationLängenskalen in der Fabrikation
Interaktionen mit dem Biomedizinischen UmfeldInteraktionen mit dem Biomedizinischen Umfeld
Device - Mikrosystemintegration Mikrofabrikation Nanomanipultion
Slide 5Mikrosysteme
Längenskala in der PhysikLängenskala in der Physik
Interaktion mit Strahlung
Elektromagnetische Strahlung
(Licht, Radio, Röntgen etc..)
Frequenz
Wellenlänge
Energie
Längenskala
Slide 6Mikrosysteme
Längenskala in der PhysikLängenskala in der Physik
Skalierende GesetzeSkalierende Gesetze
l l LängeLänge
FF KraftKraft
F = l F = l exponentexponent
Beispiel Trägheit = lBeispiel Trägheit = l55
Beispiel Oberflächenspannung = lBeispiel Oberflächenspannung = l11
Was passiert bei der Miniaturisierung?Was passiert bei der Miniaturisierung?
Kraft pro Volumen = ?Kraft pro Volumen = ?
N0.25Van der Waals
0.5Diffusion
2Reibung
N m-22Festigkeit
Ω-1Widerstand (elektrisch)
N1Oberflächenspannung
L3Volumen
5Massenträgheit
kg3Masse
N4Magnetische Kraft
J K-13Wärmekapazität
N2Elektrostatische Kraft
F1Kapazität
m22Fläche
EinheitExponent von lPhysikalische Grösse
Slide 7Mikrosysteme
Längenskala in der PhysikLängenskala in der Physik
MassenträgheitMassenträgheit
Das bedeutet man kann ein kleines Rad sehr Das bedeutet man kann ein kleines Rad sehr schnell beschleunigen und erreicht sofort top-schnell beschleunigen und erreicht sofort top-speedspeed
OberflächenspannungOberflächenspannung
Diese Kräfte werden sehr gross, und erlauben Diese Kräfte werden sehr gross, und erlauben neue Bewegungsarten können aber auch neue Bewegungsarten können aber auch problematisch sein beim Trocknen von feinen problematisch sein beim Trocknen von feinen StrukturenStrukturen
Slide 8Mikrosysteme
Skalierung auf log SkalenSkalierung auf log Skalen
Slide 9Mikrosysteme
Skalierung auf log SkalenSkalierung auf log Skalen
Widerstand ~ l -3
Was sind negative Zahlen oder Bruchteile im Exponenten?
? Warum hier 1 und nicht 1/4
Slide 10Mikrosysteme
Lineare Skala und Logarithmische SkalaLineare Skala und Logarithmische Skala
• Number of HostsNumber of Hosts
Slide 11Mikrosysteme
Trimmer‘s Bracket NotationTrimmer‘s Bracket Notation
Slide 12Mikrosysteme
SkalengesetzeSkalengesetze
Beispiele zu Trimmers Bracket NotationBeispiele zu Trimmers Bracket Notationl l LängeLänge
Uns interessert wie sich eine physikalische Grösse mit der Länge skaliertUns interessert wie sich eine physikalische Grösse mit der Länge skaliert
Einfaches Beispiel: Einfaches Beispiel: MasseMasse
m ~ l m ~ l 33 zb. Würfel:zb. Würfel: Volumen = a Volumen = a 33 (a ist Seitenlänge)(a ist Seitenlänge)
masse = Dichte * Volumenmasse = Dichte * Volumen
zb. Kugelzb. Kugel Volumen = Volumen = ππ * 4/3 * r * 4/3 * r33 (r ist Radius)(r ist Radius)
oderoder Volumen = Volumen = ππ * 1/6 * d * 1/6 * d33 (d ist Durchmeser)(d ist Durchmeser)
masse = Dichte * Volumenmasse = Dichte * Volumen
Oder noch einfacher: Oder noch einfacher: DistanzDistanz
D ~ l D ~ l 11 zb. Landkartezb. Landkarte
Slide 13Mikrosysteme
ZusammenfassungZusammenfassung
• Oberfläche geht im Quadrat, Volumen in der dritten PotenzOberfläche geht im Quadrat, Volumen in der dritten PotenzOberflächeneffekge gewinnen an BedeutungOberflächeneffekge gewinnen an Bedeutung
• Für Aktoren eignen sich im Mikrobereich OberflächenkräfteFür Aktoren eignen sich im Mikrobereich OberflächenkräfteElektrostatische Antriebe im Mikrobereich <-> Elektromotor im Makro (Magnetismus)Elektrostatische Antriebe im Mikrobereich <-> Elektromotor im Makro (Magnetismus)
• Miniaturiesierung mikromechanischer Komponenten bis 10 nmMiniaturiesierung mikromechanischer Komponenten bis 10 nmWerkstoffkontinuum, keine QuanteneffekteWerkstoffkontinuum, keine Quanteneffekte
• Gewisse Kenngrössen von Komponenten skalieren negativGewisse Kenngrössen von Komponenten skalieren negativZum Beispiel kapazitive Beschleunigunssensoren, Sensitivität nimmt ab da sie von Zum Beispiel kapazitive Beschleunigunssensoren, Sensitivität nimmt ab da sie von
Masse abhängen, aber distanz gemessen wird.Masse abhängen, aber distanz gemessen wird.
Trotzdem macht es Sinn sie kleiner zu machen -> integration in kleine GeräteTrotzdem macht es Sinn sie kleiner zu machen -> integration in kleine Geräte
• Generell keine anderen physikalischen Gesetzte, allerdings kann sich Generell keine anderen physikalischen Gesetzte, allerdings kann sich das Verhältnis Grundlegend ändern!das Verhältnis Grundlegend ändern!
Slide 14Mikrosysteme
““Why must our bodies be so large compared with the atom?”Why must our bodies be so large compared with the atom?”
Erwin SchrödingerErwin Schrödinger, , "What Is Life? The Physical Aspect of the Living Cell ", 1944 "What Is Life? The Physical Aspect of the Living Cell ", 1944 Austrian/Irish physicist and Nobel Laureate (1887 - 1961)Austrian/Irish physicist and Nobel Laureate (1887 - 1961)
Slide 15Mikrosysteme
Miniaturizierung als Evolutionärer VorteilMiniaturizierung als Evolutionärer Vorteil
Slide 16Mikrosysteme
Länge Oberfläche Volumen Länge Oberfläche Volumen
Für Landtiere wird die Gravitation (Masse) zum Für Landtiere wird die Gravitation (Masse) zum limitierenden Faktorlimitierenden Faktor
Der Wärmeverlust (Oberfläche) kleiner Tiere Der Wärmeverlust (Oberfläche) kleiner Tiere (Vögel) zwingt sie dazu dauernd zu essen(Vögel) zwingt sie dazu dauernd zu essen
Kaltblüter sind da etwas besser (Insekten) doch Kaltblüter sind da etwas besser (Insekten) doch stossen durch Austrocknung an ein Limitstossen durch Austrocknung an ein Limit
Wasserbasierte Tiere habe ein noch grösseres Wasserbasierte Tiere habe ein noch grösseres Spektrum an Grössen. Bakterien bis Wale.Spektrum an Grössen. Bakterien bis Wale.
Landtiere verschiedener Grössen
Slide 17Mikrosysteme
Längenskalen in der BiologieLängenskalen in der Biologie
Medizinische Mikrosysteme werden immer mit Biologischen Einheiten Medizinische Mikrosysteme werden immer mit Biologischen Einheiten interagieren.interagieren.
Je nach Anwendung in verschiedenen und/oder mehreren Je nach Anwendung in verschiedenen und/oder mehreren GrössenordnungenGrössenordnungen
Slide 18Mikrosysteme
Atome, Kristalle und kleine MoleküleAtome, Kristalle und kleine Moleküle
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Slide 19Mikrosysteme
MoleküleMoleküle
Lipid MoleküleLipid MoleküleWichtiger Bestandteil der ZellmembranWichtiger Bestandteil der Zellmembran
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Slide 20Mikrosysteme
PhospholipidePhospholipide
Slide 21Mikrosysteme
DNADNA
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1 Umdrehung = 10 Basenpaare = 3.4 nmBreite = 2 nm
• Trägerin der ErbinformationTrägerin der Erbinformation• 4 Nukleotiden4 Nukleotiden• GATCGATC• DoppelhelixDoppelhelix
Slide 22Mikrosysteme
DNADNA
• Was wäre die theoretische Länge des menschlichen Genoms?Was wäre die theoretische Länge des menschlichen Genoms?• Schätzungen...Schätzungen...
Slide 23Mikrosysteme
DNADNA
• Was wäre die theoretische Länge des menschlichen Genoms?Was wäre die theoretische Länge des menschlichen Genoms?• 27'000 oder 150'000 Gene, weiss man doch nicht so genau...27'000 oder 150'000 Gene, weiss man doch nicht so genau...• 75% non-coding regions with unknown function75% non-coding regions with unknown function• 3'200'000'000 Basenpaare3'200'000'000 Basenpaare• Diploides Genom auf 23 ChromosomenDiploides Genom auf 23 Chromosomen• Frauen haben offenbar eine längere DNA :-)Frauen haben offenbar eine längere DNA :-)
• 0,34 nm/bp * 6,4 Mrd bp = 2,18 Mrd nm = 2,18 m0,34 nm/bp * 6,4 Mrd bp = 2,18 Mrd nm = 2,18 m
Slide 24Mikrosysteme
DNA als Nano-LEGO BaukastenDNA als Nano-LEGO Baukasten
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• Steifes PolymerSteifes Polymer• Negative LadungNegative Ladung• Self-AssemblySelf-Assembly
Slide 25Mikrosysteme
ProteineProteine
• Entstehen durch Translation von mRNAEntstehen durch Translation von mRNA
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Slide 26Mikrosysteme
Protein KomplexeProtein Komplexe
• Zb RibosomZb Ribosom• Besteht aus Proteinen und RibonukleinsäurenBesteht aus Proteinen und Ribonukleinsäuren• Durchmesser 25 nmDurchmesser 25 nm
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Slide 27Mikrosysteme
VirenViren
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Slide 28Mikrosysteme
BakterienBakterien
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Slide 29Mikrosysteme
ZellenZellen
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Slide 30Mikrosysteme
• Extrazelluläre MatrixExtrazelluläre Matrix• Plastisches und bewegtes GefügePlastisches und bewegtes Gefüge
Zellen im VerbundZellen im Verbund
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Slide 31Mikrosysteme
Einzellige OrganismenEinzellige Organismen
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Pantoffeltierchen, Paramecium (Ciliate)
Amoebae
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Slide 32Mikrosysteme
Multizelluläre MikroorganismenMultizelluläre Mikroorganismen
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Caenorhabditis elegans, 959/1031 Zellen, rechts in Mikrosystem
Tardigrada, Bärtierchen, war 2007 im Weltraum, ESA Projekt TARDIS
Slide 33Mikrosysteme
Skalierungen in der Biologie: LängeSkalierungen in der Biologie: Länge
Slide 34Mikrosysteme
Skalierungen in der Biologie: StromSkalierungen in der Biologie: Strom
Slide 35Mikrosysteme
Skalierungen in der Biologie: KomplexitätSkalierungen in der Biologie: Komplexität
Slide 36Mikrosysteme
Skalierungen in der Biologie: ZeitSkalierungen in der Biologie: Zeit