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

Com

pute

rmod

els

Slide 19Mikrosysteme

MoleküleMoleküle

Lipid MoleküleLipid MoleküleWichtiger Bestandteil der ZellmembranWichtiger Bestandteil der Zellmembran

Com

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erm

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Slide 20Mikrosysteme

PhospholipidePhospholipide

Slide 21Mikrosysteme

DNADNA

Com

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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

Com

pute

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els

• Steifes PolymerSteifes Polymer• Negative LadungNegative Ladung• Self-AssemblySelf-Assembly

Slide 25Mikrosysteme

ProteineProteine

• Entstehen durch Translation von mRNAEntstehen durch Translation von mRNA

Com

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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

Com

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Slide 27Mikrosysteme

VirenViren

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Slide 28Mikrosysteme

BakterienBakterien

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Slide 29Mikrosysteme

ZellenZellen

Com

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Slide 30Mikrosysteme

• Extrazelluläre MatrixExtrazelluläre Matrix• Plastisches und bewegtes GefügePlastisches und bewegtes Gefüge

Zellen im VerbundZellen im Verbund

Com

put

erm

odel

s

Slide 31Mikrosysteme

Einzellige OrganismenEinzellige Organismen

Com

pute

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els

Pantoffeltierchen, Paramecium (Ciliate)

Amoebae

Com

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Slide 32Mikrosysteme

Multizelluläre MikroorganismenMultizelluläre Mikroorganismen

Com

pute

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els

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