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MassenträgheitMassenträgheit
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Lineare Skala und Logarithmische SkalaLineare Skala und Logarithmische Skala
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SkalengesetzeSkalengesetze
Beispiele zu Trimmers Bracket NotationBeispiele zu Trimmers Bracket Notati...
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• Oberfläche geht im Quadrat, Volumen in der dritten PotenzOberfläche ...
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Atome, Kristalle und kleine MoleküleAtome, Kristalle und kleine Moleküle
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Lipid MoleküleLipid Moleküle
Wichtiger Bestandteil der ZellmembranWichtiger Bestandt...
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PhospholipidePhospholipide
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DNADNA
• Was wäre die theoretische Länge des menschlichen Genoms?Was wäre die theoretische Länge des ...
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• Steifes PolymerSteifes Polyme...
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ProteineProteine
• Entstehen durch Translation von mRNAEntstehen durch Translation von mRNA
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Protein KomplexeProtein Komplexe
• Zb RibosomZb Ribosom
• Besteht aus Proteinen und Ribonukleinsäuren...
Slide 27Mikrosysteme
VirenViren
Computermodels
Slide 28Mikrosysteme
BakterienBakterien
Computermodels
Slide 29Mikrosysteme
ZellenZellen
Computermodels
Slide 30Mikrosysteme
• Extrazelluläre MatrixExtrazelluläre Matrix
• Plastisches und bewegtes GefügePlastisches und bewegte...
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Einzellige OrganismenEinzellige Organismen
Computermodels
Pantoffeltierchen, Paramecium (Ciliate)
Amo...
Slide 32Mikrosysteme
Multizelluläre MikroorganismenMultizelluläre Mikroorganismen
Computermodels
Caenorhabditis elegans, 9...
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
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Skalierungen in der Biologie: ZeitSkalierungen in der Biologie: Zeit
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  1. 1. Slide 1Mikrosysteme GrundlagenGrundlagen 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
  2. 2. Slide 2Mikrosysteme LängenskalenLängenskalen
  3. 3. 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)
  4. 4. Slide 4Mikrosysteme KernlehrinhaltKernlehrinhalt Längenskalen in der FabrikationLängenskalen in der Fabrikation Interaktionen mit dem Biomedizinischen UmfeldInteraktionen mit dem Biomedizinischen Umfeld Device - Mikrosystemintegration Mikrofabrikation Nanomanipultio n
  5. 5. Slide 5Mikrosysteme Längenskala in der PhysikLängenskala in der Physik Interaktion mit Strahlung Elektromagnetische Strahlung (Licht, Radio, Röntgen etc..) Frequenz Wellenlänge Energie Längenskala
  6. 6. Slide 6Mikrosysteme Längenskala in der PhysikLängenskala in der Physik Skalierende GesetzeSkalierende Gesetze ll LängeLänge FF KraftKraft F = lF = 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-2 2Festigkeit Ω-1Widerstand (elektrisch) N1Oberflächenspannung L3Volumen 5Massenträgheit kg3Masse N4Magnetische Kraft J K-1 3Wärmekapazität N2Elektrostatische Kraft F1Kapazität m2 2Fläche EinheitExponent von lPhysikalische Grösse
  7. 7. Slide 7Mikrosysteme Längenskala in der PhysikLängenskala in der Physik MassenträgheitMassenträgheit Das bedeutet man kann ein kleines Rad sehrDas 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 erlaubenDiese Kräfte werden sehr gross, und erlauben neue Bewegungsarten können aber auchneue Bewegungsarten können aber auch problematisch sein beim Trocknen von feinenproblematisch sein beim Trocknen von feinen StrukturenStrukturen
  8. 8. Slide 8Mikrosysteme Skalierung auf log SkalenSkalierung auf log Skalen
  9. 9. 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
  10. 10. Slide 10Mikrosysteme Lineare Skala und Logarithmische SkalaLineare Skala und Logarithmische Skala • Number of HostsNumber of Hosts
  11. 11. Slide 11Mikrosysteme Trimmer‘s Bracket NotationTrimmer‘s Bracket Notation
  12. 12. Slide 12Mikrosysteme SkalengesetzeSkalengesetze Beispiele zu Trimmers Bracket NotationBeispiele zu Trimmers Bracket Notation ll 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 ~ lm ~ l 33 zb. Würfel:zb. Würfel: Volumen = aVolumen = 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 ~ lD ~ l 11 zb. Landkartezb. Landkarte
  13. 13. Slide 13Mikrosysteme ZusammenfassungZusammenfassung • Oberfläche geht im Quadrat, Volumen in der dritten PotenzOberfläche geht im Quadrat, Volumen in der dritten Potenz Oberflächeneffekge gewinnen an BedeutungOberflächeneffekge gewinnen an Bedeutung • Für Aktoren eignen sich im Mikrobereich OberflächenkräfteFür Aktoren eignen sich im Mikrobereich Oberflächenkräfte Elektrostatische 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 nm Werkstoffkontinuum, keine QuanteneffekteWerkstoffkontinuum, keine Quanteneffekte • Gewisse Kenngrössen von Komponenten skalieren negativGewisse Kenngrössen von Komponenten skalieren negativ Zum Beispiel kapazitive Beschleunigunssensoren, Sensitivität nimmt ab da sie vonZum 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 sichGenerell keine anderen physikalischen Gesetzte, allerdings kann sich das Verhältnis Grundlegend ändern!das Verhältnis Grundlegend ändern!
  14. 14. 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)
  15. 15. Slide 15Mikrosysteme Miniaturizierung als Evolutionärer VorteilMiniaturizierung als Evolutionärer Vorteil
  16. 16. Slide 16Mikrosysteme Länge Oberfläche VolumenLänge Oberfläche Volumen Für Landtiere wird die Gravitation (Masse) zumFür Landtiere wird die Gravitation (Masse) zum limitierenden Faktorlimitierenden Faktor Der Wärmeverlust (Oberfläche) kleiner TiereDer Wärmeverlust (Oberfläche) kleiner Tiere (Vögel) zwingt sie dazu dauernd zu essen(Vögel) zwingt sie dazu dauernd zu essen Kaltblüter sind da etwas besser (Insekten) dochKaltblüter sind da etwas besser (Insekten) doch stossen durch Austrocknung an ein Limitstossen durch Austrocknung an ein Limit Wasserbasierte Tiere habe ein noch grösseresWasserbasierte Tiere habe ein noch grösseres Spektrum an Grössen. Bakterien bis Wale.Spektrum an Grössen. Bakterien bis Wale. Landtiere verschiedener Grössen
  17. 17. Slide 17Mikrosysteme Längenskalen in der BiologieLängenskalen in der Biologie Medizinische Mikrosysteme werden immer mit Biologischen EinheitenMedizinische Mikrosysteme werden immer mit Biologischen Einheiten interagieren.interagieren. Je nach Anwendung in verschiedenen und/oder mehrerenJe nach Anwendung in verschiedenen und/oder mehreren GrössenordnungenGrössenordnungen
  18. 18. Slide 18Mikrosysteme Atome, Kristalle und kleine MoleküleAtome, Kristalle und kleine Moleküle Computermodels
  19. 19. Slide 19Mikrosysteme MoleküleMoleküle Lipid MoleküleLipid Moleküle Wichtiger Bestandteil der ZellmembranWichtiger Bestandteil der Zellmembran Computermodels
  20. 20. Slide 20Mikrosysteme PhospholipidePhospholipide
  21. 21. Slide 21Mikrosysteme DNADNA Computermodels 1 Umdrehung = 10 Basenpaare = 3.4 nm Breite = 2 nm • Trägerin der ErbinformationTrägerin der Erbinformation • 4 Nukleotiden4 Nukleotiden • GATCGATC • DoppelhelixDoppelhelix
  22. 22. Slide 22Mikrosysteme DNADNA • Was wäre die theoretische Länge des menschlichen Genoms?Was wäre die theoretische Länge des menschlichen Genoms? • Schätzungen...Schätzungen...
  23. 23. 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
  24. 24. Slide 24Mikrosysteme DNA als Nano-LEGO BaukastenDNA als Nano-LEGO Baukasten Computermodels • Steifes PolymerSteifes Polymer • Negative LadungNegative Ladung • Self-AssemblySelf-Assembly
  25. 25. Slide 25Mikrosysteme ProteineProteine • Entstehen durch Translation von mRNAEntstehen durch Translation von mRNA Computermodels
  26. 26. Slide 26Mikrosysteme Protein KomplexeProtein Komplexe • Zb RibosomZb Ribosom • Besteht aus Proteinen und RibonukleinsäurenBesteht aus Proteinen und Ribonukleinsäuren • Durchmesser 25 nmDurchmesser 25 nm Computermodels
  27. 27. Slide 27Mikrosysteme VirenViren Computermodels
  28. 28. Slide 28Mikrosysteme BakterienBakterien Computermodels
  29. 29. Slide 29Mikrosysteme ZellenZellen Computermodels
  30. 30. Slide 30Mikrosysteme • Extrazelluläre MatrixExtrazelluläre Matrix • Plastisches und bewegtes GefügePlastisches und bewegtes Gefüge Zellen im VerbundZellen im Verbund Computermodels
  31. 31. Slide 31Mikrosysteme Einzellige OrganismenEinzellige Organismen Computermodels Pantoffeltierchen, Paramecium (Ciliate) Amoebae Computermodels
  32. 32. Slide 32Mikrosysteme Multizelluläre MikroorganismenMultizelluläre Mikroorganismen Computermodels Caenorhabditis elegans, 959/1031 Zellen, rechts in Mikrosystem Tardigrada, Bärtierchen, war 2007 im Weltraum, ESA Projekt TARDIS
  33. 33. Slide 33Mikrosysteme Skalierungen in der Biologie: LängeSkalierungen in der Biologie: Länge
  34. 34. Slide 34Mikrosysteme Skalierungen in der Biologie: StromSkalierungen in der Biologie: Strom
  35. 35. Slide 35Mikrosysteme Skalierungen in der Biologie: KomplexitätSkalierungen in der Biologie: Komplexität
  36. 36. Slide 36Mikrosysteme Skalierungen in der Biologie: ZeitSkalierungen in der Biologie: Zeit

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