Intelligente Nanosysteme?

Intelligente Nanosysteme?

Anregungen zum Weiterdenken

Ein nanotechnisches Verfahren zur Beeinflussung von Systemeigenschaften

Nachfolgende Darstellung ist hauptsächlich als Anregung zum Weiterdenken gedacht. Sie ist idealisiert und teilweise auch fiktiv. Allerdings ist das dargestellte Verfahren trivial, so daß davon ausgegangen werden kann, daß es in dieser oder jener Form bereits angewendet wird.

Definition: Ein Nanoelement kann sein:

- ein (speziell designtes) Molekül oder Sub-Molekül
- ein Nanopartikel im üblichen Sinne
- ein Verbund mehrerer verschiedenartiger Nanopartikel
- eine (gedanklich abgegrenzte) kleine Region eines Materials
- ein Elementarteilchen
- irgend ein spezielles Konstrukt auf atomaren oder subatomaren Niveau
- oder irgend ein anderes Mikro-Objekt

Vorbetrachtung: Die Eigenschaften eines Systems in erwünschter Weise beeinflussen

Dazu wird eine Steuereinheit C installiert, welche folgendes realisiert:

Je weiter das System von den erwünschten Eigenschaften entfernt ist, desto höher ist die zugeführte Energie.

(D.h. je näher das System am Ziel dran ist, desto niedriger ist die zugeführte Energie.)

Erklärung der Funktionsweise:
Je weiter man vom Ziel entfernt ist, desto höher stellt die Steuerung C die (neuordnende) Energiezufuhr ein, d.h. desto mehr wird die Systemstruktur umgeordnet. Durch Zufall entstehen Konstellationen, so daß das System erwünschte Eigenschaften aufweist. Die Steuerung drosselt nun die Energiezufuhr, so daß sich die erwünschten Eigenschaften stabilisieren können.

Vielteilchensysteme in erwünschter Weise beeinflussen

Dem Vielteilchensystem werden spezielle Nanoelemente beigemischt. Jedes dieser Nanoelemente wird in oben geschilderter Weise als Steuereinheit C wirksam.
Man nutzt also spezielle (z.B. physikalische) Wechselwirkungen aus, um die Steuerung zu realisieren.

Globale äußere Energiezufuhr

Zur Steuerung ist es notwendig, dem System globale Energie zuzuführen (Strahlung, Wechselfeld o.a.)

Die Steuer-Nanoelemente C sollten folgende physikalische Eigenschaft aufweisen:

Je weiter entfernt die jeweils benachbarten Ausgangsmaterial-Partikel vom erwünschten Zustand sind, desto besser absorbiert das Steuer-Nanoelement C die zugeführte äußere Energie, d.h. desto höher ist dann die dem Ausgangsmaterial-Partikel zugeführte Energie.

Fiktives Anwendungsbeispiel 1: Lösung von Anordnungsproblemen

Das Ausgangsmaterial besteht aus einem Gemisch aus x- und y-Partikeln. Es besteht nun der Wunsch, daß vorzugsweise jeweils ein x- und ein y-Partikel nebeneinander liegen bzw. eine Verbindung eingehen. Die Kombinationen x-x und y-y sind also nicht erwünscht. Um dies zu erreichen, werden dem Ausgangsmaterial spezielle C- und Hilfs-Nanoelemente hinzugemischt, welche gewissermaßen "erkennen" können, ob in ihrer Umgebung die erwünschte x-y-Kombination vorliegt, woraufhin sie jeweils die Energiezufuhr drosseln würden. Es wird also solange geschüttelt und gerüttelt bis eine erwünschte Kombination vorliegt.

Fiktives Anwendungsbeispiel 2: Erhöhung des Wirkungsgrades eines Energieumwandlers, z.B. einer Solarzelle

Das Ausgangsmaterial sei ein nutzbarer Energieumwandler, z.B. eine Solarzelle.
S sei ein Nanopartikel (oder eine hinreichend kleine Region) dieses Ausgangsmaterials.

Die zur Erhöhung des Wirkungsgrades hinzugemischten Nanoelemente C sollten folgendes physikalische Verhalten aufweisen:

Je geringer die lokale und augenblickliche Energie-Emission des Ausgangsmaterial-Partikels S ist, d.h. je weiter wir vom Ziel der Erhöhung des Wirkungsgrades entfernt sind, desto höher die Absorbierung der äußeren Energie durch das C-Nanoelement, d.h. desto mehr Energie wird S zugeführt, d.h. desto mehr wird S angeregt, sein Bedingungsgefüge neuzuordnen.

Optimierung bzw. Realisierung der Steuerung mittels Hilfs-Nanoelementen

T-Nanoelement:
Um die Steuerkreise aufzubauen, könnte es hilfreich sein, spezielle Hilfs-Nanoelemente hinzuzumischen: z.B. Transformations-Nanoelemente, welche die Schwankungen der einen Eigenschaftsart in Schwankungen der anderen Eigenschaftsart umwandeln.

Mehrere solcher T-Nanoelemente könnten hintereinander geschaltet werden.

Die Eigenschaftsänderungen der T-Nanoelemente müssen nicht unbedingt von kontinuierlicher Art sein. Es sind "Schalter-Nanoelemente" denkbar, die bei Erfüllung einer Bedingung eine Eigenschaft einschalten bzw. diese bei Nichterfüllung wieder ausschalten.

I-Nanoelement:
Ist instabil. Bei erhöhter Energiezufuhr ändert er in zufälliger Weise seine Eigenschaft(en), welche dann mit dem Ausgangsmaterial-Partikel wechselwirken. Er ist sozusagen hilfreich beim Ausprobieren verschiedenster Bedingungskonstellationen

Mehrere verschiedenartige I-Nanoelemente könnten eine gewisse Vielfalt im "Ausprobierraum" schaffen.

I-Nanoelemente können mit entsprechend geeigneten T-Nanoelementen verschaltet werden. So erhält man zusätzliche Arten von Zufallseigenschaften.

Hinweis:
Hier wird nicht S selbst, sondern es werden stellvertretend nur die äußeren Bedingungen neugeordnet.

Hinzumischen von lernfähigen Nano-Units

L-Nanoelement:
Eine lernfähige Nano-Unit organisiert sich so, daß diese schließlich in der Lage ist, jeweils immer die richtige Bedingung zur richtigen Zeit und am richtigen Ort zu erzeugen, und das in Abhängigkeit von Augenblickswerten bestimmter Umgebungseigenschaften.

Eine lernfähige Nano-Unit könnte ein Neuronales Netz imitieren. Vergleich:

Ein Nanoelement N (=Neuron). Sein Zustand fluktuiert.
Er müßte eine LEICHT veränderliche Eigenschaft besitzen, die noch dazu auf die Nachbarzelle N übertragbar ist.

Diese Übertragung wird aber beeinflußt durch den SCHWER veränderlichen Zustand eines Nanoelements O (=Verknüpfung, Merkfähigkeit).

Andererseits beeinflussen die Zustände der benachbarte N-Nanoelemente den Zustand des entsprechenden O-Nanoelements. (Lernprozeß)

Fiktives Beispiel für eine Zusammensetzung:
(Das Gesamtsystem müßte einer entsprechenden Strahlung ausgesetzt werden, so daß im Halbleiter Wirbelströme entstehen.)

N - Halbleiterpartikel (Wirbelstromrichtung schwankt, Verknüpfung mit Nachbarzelle durch Induktion)

O - Ferromagnetischer Partikel (Magnetisierungs-Eigenschaft, d.h. Merkfähigkeit u. Beeinflussung der Induktionskopplung)
- Möglicherweise könnte diese Funktionalität auch von einem Halbleiterpartikel mit entsprechenden Eigenschaften übernommen werden.

Um Mißverständnisse zu vermeiden:
Die Relationen zwischen den Nanoelementen werden umgeordnet - nicht unbedingt die räumlichen Positionen!

T-Nanoelemente als Interface

T-Nanoelemente könnten der lernfähigen Nano-Unit als Interface dienen. Der Zustand eines Neurons kann den Zustand eines T-Nanoelements beeinflussen und u.U. umgekehrt. D.h. manche Arten von T-Nanoelementen würden als Input und andere als Output zur "lernfähigen" Nano-Unit dienen.

Als lernfähige Nano-Units könnten auch spezielle Makromoleküle (Fullerene, Nanotubes, DNS o.a.) oder entsprechende Kombinationen von Makromolekülen eingesetzt werden.
(Um das neuronale Netz zu realisieren, müssen in irgend einer Form die N, O - und falls erforderlich auch die T- Nanoelemente vorhanden sein.)

Herstellung von lernfähigen Nano-Units mit speziellen Funktionen Das Objekt des Evolutionsprozesses ist hier die lernfähige Nano-Unit selbst. Das Ziel besteht darin, erwünschte physikalische, chemische, mechanische oder informationsverarbeitende Eigenschaften bei der Nanoelement-Einheit herauszubilden. (Alle nachfolgenden Beispiele sind fiktiv.)
Eine lernfähige Nano-Unit hat gelernt, als T -Nanoelement zu fungieren: Bei Auftreten einer bestimmen Eigenschaft, sendet sie ein Signal aus. Eine andere lernfähige Nano-Unit hat die Funktionalität eines Steuer-Nanoelements C erlernt: Auf ein Signal sendet sie Energie zu S.
Mechanische Maschinen Die lernfähige Nano-Unit hat gelernt zu rotieren, und zwar immer dann, wenn ein spezielles lokales(!) Ereignis eintritt. (Bemerkung: Falls erforderlich, könnte sie auch lernen permanent zu rotieren. Aber für die Konstruktion von Maschinen ist eine ereignisorientierte Verhaltensweise bedeutsam.)
Nanofactory Möglicherweise wären diese lernfähigen Nano-Units in der Lage, auf Ereignisse spezifisch zu reagieren: Bei Ereignis 1 tue dies, bei Ereignis 2 tue das... - so daß durch Kombination solcher Nanoelement-Einheiten Mikromaschinen konstruiert werden könnten (Das müssen nicht unbedingt mechanische Maschinen sein.) Dies würde möglicherweise hilfreich bei der Realisierung des eigentlichen Ziels der Nanotechnologie sein: dem Molecular Manufacturing. Link: http://en.wikipedia.org/wiki/Nanofactory

Unerwartete neue Anwendungsmöglichkeiten?

In der Vielfalt des Mikrokosmos könnten Wirkungsketten vorhanden sein, welche die Wissenschaft noch nicht kennt und welche man indirekt - ohne es zu wissen - ausnutzen könnte, da sich das Bedingungsgefüge sozusagen selbstorganisiert.

Ein fiktives Beispiel: Es soll die Frage untersucht werden, ob die Gravitationskraft von irgendwelchen inneren strukturellen Bedingungen der beteiligten Massen abhängt. Mit anderen Worten: wir wollen versuchen, das Gewicht einer Masse wenigstens (äußerst) geringfügig zu verringern. Nur auf den Nachweis kommt es an! (Es ist gewiß Science-Fiction. Aber wir brauchen ja irgendein Beispiel!)

Dem Ausgangsmaterial S werden piezoelektrische Partikel hinzugemischt. Die Steuer-Nanoelemente C müssen folgendes realisieren können: Je höher die Gewichtskraft eines S-Teilchens, d.h. je höher die durch den piezoelektrischen Effekt erzeugte Spannung ist, desto höher die absorbierte (und damit die den S-Teilchen zugeführte) Energie.

Es ist gewiß schwierig oder gar unmöglich, entsprechende Versuchsbedingungen für dieses Experiment zu schaffen. Andere Kräfte müssen beispielsweise möglichst klein gehalten werden...
Aber das ist aber nicht der springende Punkt. Das obige Beispiel soll lediglich stellvertretend dafür stehen, daß man sich nicht scheuen sollte, auch ungewöhnliche Fragestellungen zu untersuchen.

Anwendungen in der Grundlagenforschung

Jede Eigenschaft, jedes Gleichgewicht und jede noch so unverrückbar erscheinende Gesetzmäßigkeit könnte unter der Oberfläche rein statistischer Natur sein bzw. dynamisch aufrechterhalten werden. Das beschriebene Verfahren bietet unter Umständen eine Möglichkeit, Eigenschaften und Gleichgewichte in bisher nicht dagewesene Bereiche zu verschieben.

Es könnte sich also lohnen, auch solche Zustände eines Systems versuchsweise zu beeinflussen, von denen man bisher glaubte, sie seien konstant und nicht beeinflußbar.

Beispiel:

Gegeben sei eine mikrophysikalische Eigenschaft K.

Nach außen hin scheint der Wert der Eigenschaft K konstant und unbeeinflußbar zu sein. In Wirklichkeit handelt es sich aber um den Mittelwert verschiedener (schwankender) Einzelwerte. Aber das wissen wir zu diesem Zeitpunkt noch nicht.

Indem wir dem Material spezielle Nanoelemente C beimischen, welche bestimmte Eigenschaftswerte energetisch begünstigen, finden wir heraus, daß die ursprünglich als unveränderbar geglaubte Eigenschaft nun doch beeinflußbar ist, was sicherlich von großem wissenschaftlichen oder gar praktischem Interesse sein könnte.

Äußere Steuereinheit C

Für bestimmte Anwendungen ist möglicherweise folgende Konfiguration hinreichend:
Dem Material werden lediglich die L- und die T-Nanoelemente beigemischt. Die einzige Steuereinheit C (elektr. Schaltung, Computer) befindet sich diesmal außerhalb des Materials.

Bestimmte, von vornherein zur Selbstorganisation fähige Systeme (z.B. lebendes Gewebe) könnte man unverändert belassen und könnte versuchen diese ausschließlich mit einer äußeren Steuerung in erwünschter Weise zu beeinflussen.
Möglicherweise könnte man auf diese Weise, den Heilungsprozeß von krankem Gewebe unterstützen. Im Falle eines "Krankheitssignals" würde die Energie erhöht werden, andernfalls würde sie erniedrigt werden. (Wird vielleicht schon angewandt.)

Verallgemeinerung In den obigen Ausführungen wurden die Steuerkreisläufe durch Hinzumischen von Nanoelementen und durch aktive Energiezufuhr realisiert. Aber streng genommen sind das nur Spezialfälle. In vielen Fällen könnte es sich lohnen, auch anderweitige Überlegungen anzustellen. Folgende Fragestellungen sollte man durchgehen: Was ist das Ziel? Welche Eigenschaften am System sind erwünscht? Was hängt kausal von dieser Eigenschaft ab? Gibt es einen Indikator für diese Eigenschaft? Was kann ich damit an- oder ausschalten? Kann ich eine Kausalkette aufbauen, so daß ich schließlich die Neuordnung des Systems an- oder ausschalten kann? Wie kann man eine Neuordnung der relevanten Teile des Systems herbeiführen? Erhöhte Energiezufuhr ist nur eine Möglichkeit. Aber wenn man die Besonderheiten des Systems beachtet, gibt es bestimmt auch noch andere Möglichkeiten, irgendwelche Strukturen und Bindungen aufzulockern oder gar zu trennen... Möglicherweise könnten bestimmte Funktionen dieser Steuerkreise durch geschicktes Verändern gewisser Systemeigenschaften erzielt werden, d.h. es wird nur durch Veränderungen am System selbst erreicht - ohne irgendwelche Nanoelemente hinzuzumischen.
Fiktives Verallgemeinerungsbeispiel A: Die Arbeit der T- und C-Nanoelemente übernehmen hier bestimmte Systemfunktionen. T und C sind hier also keine materiellen Partikel. Der Steuerkreis befindet sich nun vollständig innerhalb des Ausgangsystem-Partikels S. Der Steuerkreis konnte durch geschicktes Modifizieren der Systemeigenschaften aufgebaut werden.
Fiktives Verallgemeinerungsbeispiel B: Das T-Nanoelement dient hier als Schalter: Falls die erwünschte Eigenschaft nicht vorliegt, nimmt T eine Eigenschaft an, die in S eine Neuordnung verursacht.

Anmerkungen

Mischen
Obige Grafiken sind idealisiert dargestellt. In Wirklichkeit wären die einzelnen Nanoelemente bunt durcheinandergemischt.
Allerdings gibt es Sonderformen des Mischens:
- Anordnung der Materialien in Schichten (Grenzflächen)
- Bei Gasen: Das Gas über ein Material hinwegleiten
- Regelmäßige Anordnung der Mikroeinheiten (wie bei der Chipproduktion)

Baukastensystem
Eigentlich benötigt man für sämtliche Anwendungen nur eine einzige Teilchenart als Steuereinheit C und eine einzige Art von lernfähigen Nano-Units. Alles andere könnte durch eine Kombination entsprechender Transformations-Nanoelemente realisiert werden.
Durch Hintereinanderschalten dieser T-Nanoelemente könnten beliebige Wirkungsketten aufgebaut werden. Man könnte sich also eine Art Baukastensystem aus zusammenschaltbaren Nanoelementen zurechtlegen.

Universell einsetzbares Meßgerät zu diagnostischen- u. Forschungszwecken
Das Gerät würde im wesentlichen aus einer Membran bestehen, deren Oberfläche mit spezifischen Steuer-Nanoelementen C und Hilfs-Nanoelementen überzogen wurde. Weiterhin gewährleistet das Gerät die entsprechende äußere Energiezufuhr auf die Membran im obigen Sinne.

Auf dieser Membran kann nun eine Probe des Ausgangsmaterials positioniert werden, und mit Hilfe herkömmlicher Meßgeräte, welche nicht zum Gerät dazugehören müssen, kann nach eventuellen Effekten (Änderung der Eigenschaften des Ausgangsmaterials) gesucht werden.

Automatisierte "Varianten-Forschung"
Man stelle ein Gemisch aus möglichst vielen verschiedenartigen Materialien M1..Mn zusammen, so daß in diesem Gemisch sehr vielfältige physikalische Wechselwirkungen wirksam werden können.
Je nach Forschungszweck werden dann C- und andere Hilfs-Nanoelemente hinzugegeben.

Die Zutaten M1...Mn werden nun variiert. In einem automatisierten Prozeß werden Materialien (teilweise) wieder entfernt oder hinzugegeben, und jedesmal wird kontrolliert, ob sich der Effekt vergrößert hat. Auf diese Weise findet man eventuell heraus, welches die für die Effekte relevanten Materialen sind.

Der gleichzeitige Einsatz verschiedenartiger Steuereinheiten C
Mitunter könnte es notwendig sein, innerhalb eines Materials mehrere verschiedenartige Steuereinheiten zum Einsatz zu bringen - beispielsweise falls mehrere Ziele gleichzeitig erreicht werden sollen oder ein bestimmter Nebeneffekt verhindert werden soll. Denn das Verfahren könnte genauso gut zur "Unterdrückung" von Eigenschaften eingesetzt werden.

Temperatur
Da das Bedingungsgefüge entsprechend "aufgelockert" sein muß, funktioniert das Verfahren möglicherweise nur bei bestimmten höheren Temperaturen. Außerdem sollte eine Anwendung des Verfahrens während eines Abkühlungsvorgangs in Erwägung gezogen werden. Möglicherweise bleiben dann die neuen Systemeigenschaften auch ohne die ständige Anwendung des Verfahrens dauerhaft erhalten.

Hierarchie
Bei einigen Anwendungen wäre es möglicherweise angebracht, eine Art von Hierarchie der Steuerkreisläufe aufzubauen. Kleine Kreisläufe werden von größeren gesteuert, und diese dann von noch größeren ... (Nachahmung von Selbstorganisationsprozessen in Lebewesen)

(2001, Autor: Carsten Zander, Carsten.Zander@t-online.de)