Dusjagr @ ICC, Tokyo - On Hackteria and stuffing Rats
Mis lecture lengthscales
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
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. 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. Slide 5Mikrosysteme
Längenskala in der PhysikLängenskala in der Physik
Interaktion mit Strahlung
Elektromagnetische Strahlung
(Licht, Radio, Röntgen etc..)
Frequenz
Wellenlänge
Energie
Längenskala
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. 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
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
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. 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. 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)
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. 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
22. Slide 22Mikrosysteme
DNADNA
• Was wäre die theoretische Länge des menschlichen Genoms?Was wäre die theoretische Länge des menschlichen Genoms?
• Schätzungen...Schätzungen...
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. Slide 24Mikrosysteme
DNA als Nano-LEGO BaukastenDNA als Nano-LEGO Baukasten
Computermodels
• Steifes PolymerSteifes Polymer
• Negative LadungNegative Ladung
• Self-AssemblySelf-Assembly
26. Slide 26Mikrosysteme
Protein KomplexeProtein Komplexe
• Zb RibosomZb Ribosom
• Besteht aus Proteinen und RibonukleinsäurenBesteht aus Proteinen und Ribonukleinsäuren
• Durchmesser 25 nmDurchmesser 25 nm
Computermodels
