For investigations of ordered nanometre structures and for high-precision measurement of the atomic order in crystalline solids, X-ray diffraction is the most important tool. With the aid of X-ray microscopy, unordered and even living objects can also be imaged directly. The resolution of these images, applying different contrast techniques representing the state of the art, reaches the nanometre range. In the future, a synthesis of both methods could yield a shift of the spectral resolution down to the atomic level. / Für die Aufklärung geordneter Nanometer-Strukturen und die hochpräzise Vermessung der Atomanordnung in kristallinen Festkörpern ist die Röntgenstrahlbeugung das wichtigste Werkzeug. Mit Hilfe der Mikroskopie mit Röntgenstrahlung können auch ungeordnete und sogar lebende Objekte direkt abgebildet werden. Die Auflösung dieser Abbildungen unter Nutzung verschiedener Kontraste erreicht nach dem Stand der Technik gerade die Grenze des Nanometerbereiches. Für die Zukunft wird eine Synthese beider Methoden und so auch die weitere Verschiebung der Grenze der erreichbaren Auflösung erwartet.

The study of crystal nucleation represents a considerable challenge to both experiment and theory. Crystallisation from solutions is initiated by the association of only a few ions. The resulting aggregates are the embryonic precursors to crystals and exhibit diameters of less than a nanometre. While experimental studies offer a wide variety of insights at the macroscopic scale, the atomistic level of detail often remains elusive. On the other hand, computer simulation approaches may easily achieve microscopic resolution and hence appear particularly suited for analysis of the mechanisms of ion aggregation. On the basis of atomistic models, new insights are obtained into the early steps of ion association and the self-organisation of disordered aggregates into crystalline structures. / Das Studium der Nukleation von Kristallen stellt eine immense Herausforderung sowohl an die Experimentatoren als auch an die Theoretiker dar. Die Bildung eines Kristalls aus einer Lösung beginnt mit dem Zusammenschluss einzelner Ionen zu kleinen Aggregaten. Diese embryonalen Vorstufen von Kristallen umfassen nur einige Teilchen und weisen Durchmesser von weniger als einem Nanometer auf. Experimentelle Untersuchungen sind oftmals auf die makro- und mesoskopische Größenskala beschränkt und können vergleichsweise wenige Informationen über die atomaren Aggregationsprozesse liefern. Molekulare Simulationen verlaufen im Gegensatz dazu unmittelbar auf der atomaren Detailstufe und stellen so eine hervorragende Ergänzung zum Experiment dar. Im Computer werden dabei Modellszenarien entwickelt, die Aufschlüsse über die elementaren Schritte der Aggregation von Ionen geben können und aufzeigen, wie sich zunächst ungeordnete Agglomerate allmählich zu periodisch geordneten Strukturen organisieren.

At present chemistry is undergoing an interesting change from the traditional preparation and investigation of single molecules to the construction and use of more complex functionalized architectures. Especially the better understanding of biological processes and the demand to create new materials with specific properties lead to a development of novel nanostructured assemblies that are held together by reversible weak interactions, that include coordination and hydrogen bonds, van der Waals forces as well as p-p and electrostatic interactions. Based on the smart use of Nature’s principles of molecular recognition and self-assembly, the supramolecular chemistry is now one of the pillars within the framework of nanotechnology. This contribution gives an overview on the basic concepts of supramolecular chemistry, the latter’s connections with biological systems and foreseeable applications. / Die Chemie erfährt gegenwärtig einen interessanten Übergang von der traditionellen Betrachtung der Einzelmoleküle hin zu großen komplexen Funktionseinheiten. Besonders das wachsende Verständnis biologischer Prozesse als auch die steigenden Forderungen nach neuen Werkstoffen mit einem spezifischen Eigenschaftsprofil führten zur gezielten Konstruktion definierter Baueinheiten auf der Nanometerskala. Dabei werden in intelligenter Weise reversible Bindungsprozesse auf Basis schwacher nichtkovalenter Wechselwirkungen, wie koordinative und Wasserstoffbrückenbindungen, Van-der-Waals- Kräfte sowie p−p- und elektrostatische Wechselwirkungen, genutzt. Aufbauend auf den natürlichen Prinzipien der molekularen Erkennung und Selbstorganisation ist die supramolekulare Chemie heute eine der Säulen in der Entwicklung der Nanotechnologie. Im Beitrag wird ein Überblick über wesentliche Aspekte der supramolekularen Chemie, ihre Anknüpfung an biologische Prinzipien und ausgewählte Nutzungsmöglichkeiten gegeben.

Modern optical microscopy is gaining deeper and deeper insight into the nanoworld. Conventional microscopy faces restrictions by both the diffraction limit and its sensitivity concerning the low intensities of nanoscale light sources. To be able to circumvent these drawbacks, scanning near-field optical microscopy (SNOM) has been implemented at the Institute of Applied Photophysics at the TU Dresden by applying optically active scanning probes in order to constitute interfaces between the macroscopic and the nanoscopic world. New probes functionalised with metal nanoparticles can resolve structures which are unreachable by traditional methods (~ 50 nm). Our work has led to inexpensive and fast fabrication of such probes allowing an unprecedented views of the nanoworld. / Die moderne optische Mikroskopie erlaubt es, der Nanowelt immer neue spannende Erkenntnisse zu entlocken. Jedoch ist die herkömmliche Lichtmikroskopie in ihrer Auflösung begrenzt und im Hinblick auf die geringe Intensität nanoskopischer Lichtquellen häufig nicht empfindlich genug. Um diese Probleme zu umgehen, wird am Institut für Angewandte Photophysik (IAPP) der TU Dresden die sogenannte optische Nahfeldmikroskopie eingesetzt. Hierbei dienen optisch aktive Sonden als Schnittstelle zwischen makroskopischer und nanoskopischer Welt. Diese am IAPP entwickelten neuartigen Sonden sind mit metallischen Nanopartikeln besetzt. Das Nahfeldmikroskop erlangt mit derartigen Sonden ein Auflösungsvermögen, welches weit jenseits der Möglichkeiten konventioneller Mikroskope liegt. Die Sonden können einfach und schnell hergestellt werden und erlauben der Nahfeldmikroskopie bisher unerreichte Einblicke in die Nanowelt.

Thanks to their extraordinary properties, carbon nanotubes reveal a promising potential for applications on the nanometre scale. When filled with metals or ferromagnets, nano-wires and magnets with a protecting carbon shell are realised. Different synthesis routes are described, such as laser ablation and chemical vapour deposition. Probes for magnetic force microscopy based on ironfilled carbon nanotubes are presented, and demonstrate a high spatial resolution, with the carbon shells at the same time providing effective wear resistance. We show also the potential of carbon nanotubes for biomedical applications, in particular their suitability as magnetic nano-heaters, drug-carrier systems or sensors for diagnostic and therapeutic usage on the cellular level. / Außergewöhnliche Materialeigenschaften machen Kohlenstoffnanoröhren zu einem vielseitigen nanoskaligen Werkstoff. Füllt man sie zum Beispiel mit metallischen oder ferromagnetischen Materialien, so ergeben sich durch eine Kohlenstoffhülle geschützte „Nano- Kabel“ oder Nano-Magnete. Neben verschiedenen Syntheseverfahren wie der Laserablation und der Chemischen Gasphasenabscheidung werden grundlegende physikalische Eigenschaften sowie Anwendungen in der Messtechnik und in der Medizin vorgestellt. In der Magnetkraftmikroskopie versprechen magnetisch gefüllte Kohlenstoffnanoröhren eine hohe laterale Auflösung bei gleichzeitigem Schutz des magnetischen Messsensors durch die Außenhülle. Im Bereich der biomedizinischen Anwendungen stellen Kohlenstoffnanoröhren ein nanoskaliges Transportmedium dar, das zum Transfer von Funktionsmaterialien in einzelne Zellen, zum Beispiel für magnetische Sensorik oder für Medikamententransporte, angewendet werden kann.

At present chemistry is undergoing an interesting change from the traditional preparation and investigation of single molecules to the construction and use of more complex functionalized architectures. Especially the better understanding of biological processes and the demand to create new materials with specific properties lead to a development of novel nanostructured assemblies that are held together by reversible weak interactions, that include coordination and hydrogen bonds, van der Waals forces as well as p-p and electrostatic interactions. Based on the smart use of Nature’s principles of molecular recognition and self-assembly, the supramolecular chemistry is now one of the pillars within the framework of nanotechnology. This contribution gives an overview on the basic concepts of supramolecular chemistry, the latter’s connections with biological systems and foreseeable applications. / Die Chemie erfährt gegenwärtig einen interessanten Übergang von der traditionellen Betrachtung der Einzelmoleküle hin zu großen komplexen Funktionseinheiten. Besonders das wachsende Verständnis biologischer Prozesse als auch die steigenden Forderungen nach neuen Werkstoffen mit einem spezifischen Eigenschaftsprofil führten zur gezielten Konstruktion definierter Baueinheiten auf der Nanometerskala. Dabei werden in intelligenter Weise reversible Bindungsprozesse auf Basis schwacher nichtkovalenter Wechselwirkungen, wie koordinative und Wasserstoffbrückenbindungen, Van-der-Waals- Kräfte sowie p−p- und elektrostatische Wechselwirkungen, genutzt. Aufbauend auf den natürlichen Prinzipien der molekularen Erkennung und Selbstorganisation ist die supramolekulare Chemie heute eine der Säulen in der Entwicklung der Nanotechnologie. Im Beitrag wird ein Überblick über wesentliche Aspekte der supramolekularen Chemie, ihre Anknüpfung an biologische Prinzipien und ausgewählte Nutzungsmöglichkeiten gegeben.

Modern optical microscopy is gaining deeper and deeper insight into the nanoworld. Conventional microscopy faces restrictions by both the diffraction limit and its sensitivity concerning the low intensities of nanoscale light sources. To be able to circumvent these drawbacks, scanning near-field optical microscopy (SNOM) has been implemented at the Institute of Applied Photophysics at the TU Dresden by applying optically active scanning probes in order to constitute interfaces between the macroscopic and the nanoscopic world. New probes functionalised with metal nanoparticles can resolve structures which are unreachable by traditional methods (~ 50 nm). Our work has led to inexpensive and fast fabrication of such probes allowing an unprecedented views of the nanoworld. / Die moderne optische Mikroskopie erlaubt es, der Nanowelt immer neue spannende Erkenntnisse zu entlocken. Jedoch ist die herkömmliche Lichtmikroskopie in ihrer Auflösung begrenzt und im Hinblick auf die geringe Intensität nanoskopischer Lichtquellen häufig nicht empfindlich genug. Um diese Probleme zu umgehen, wird am Institut für Angewandte Photophysik (IAPP) der TU Dresden die sogenannte optische Nahfeldmikroskopie eingesetzt. Hierbei dienen optisch aktive Sonden als Schnittstelle zwischen makroskopischer und nanoskopischer Welt. Diese am IAPP entwickelten neuartigen Sonden sind mit metallischen Nanopartikeln besetzt. Das Nahfeldmikroskop erlangt mit derartigen Sonden ein Auflösungsvermögen, welches weit jenseits der Möglichkeiten konventioneller Mikroskope liegt. Die Sonden können einfach und schnell hergestellt werden und erlauben der Nahfeldmikroskopie bisher unerreichte Einblicke in die Nanowelt.

For investigations of ordered nanometre structures and for high-precision measurement of the atomic order in crystalline solids, X-ray diffraction is the most important tool. With the aid of X-ray microscopy, unordered and even living objects can also be imaged directly. The resolution of these images, applying different contrast techniques representing the state of the art, reaches the nanometre range. In the future, a synthesis of both methods could yield a shift of the spectral resolution down to the atomic level. / Für die Aufklärung geordneter Nanometer-Strukturen und die hochpräzise Vermessung der Atomanordnung in kristallinen Festkörpern ist die Röntgenstrahlbeugung das wichtigste Werkzeug. Mit Hilfe der Mikroskopie mit Röntgenstrahlung können auch ungeordnete und sogar lebende Objekte direkt abgebildet werden. Die Auflösung dieser Abbildungen unter Nutzung verschiedener Kontraste erreicht nach dem Stand der Technik gerade die Grenze des Nanometerbereiches. Für die Zukunft wird eine Synthese beider Methoden und so auch die weitere Verschiebung der Grenze der erreichbaren Auflösung erwartet.

Thanks to their extraordinary properties, carbon nanotubes reveal a promising potential for applications on the nanometre scale. When filled with metals or ferromagnets, nano-wires and magnets with a protecting carbon shell are realised. Different synthesis routes are described, such as laser ablation and chemical vapour deposition. Probes for magnetic force microscopy based on ironfilled carbon nanotubes are presented, and demonstrate a high spatial resolution, with the carbon shells at the same time providing effective wear resistance. We show also the potential of carbon nanotubes for biomedical applications, in particular their suitability as magnetic nano-heaters, drug-carrier systems or sensors for diagnostic and therapeutic usage on the cellular level. / Außergewöhnliche Materialeigenschaften machen Kohlenstoffnanoröhren zu einem vielseitigen nanoskaligen Werkstoff. Füllt man sie zum Beispiel mit metallischen oder ferromagnetischen Materialien, so ergeben sich durch eine Kohlenstoffhülle geschützte „Nano- Kabel“ oder Nano-Magnete. Neben verschiedenen Syntheseverfahren wie der Laserablation und der Chemischen Gasphasenabscheidung werden grundlegende physikalische Eigenschaften sowie Anwendungen in der Messtechnik und in der Medizin vorgestellt. In der Magnetkraftmikroskopie versprechen magnetisch gefüllte Kohlenstoffnanoröhren eine hohe laterale Auflösung bei gleichzeitigem Schutz des magnetischen Messsensors durch die Außenhülle. Im Bereich der biomedizinischen Anwendungen stellen Kohlenstoffnanoröhren ein nanoskaliges Transportmedium dar, das zum Transfer von Funktionsmaterialien in einzelne Zellen, zum Beispiel für magnetische Sensorik oder für Medikamententransporte, angewendet werden kann.

The study of crystal nucleation represents a considerable challenge to both experiment and theory. Crystallisation from solutions is initiated by the association of only a few ions. The resulting aggregates are the embryonic precursors to crystals and exhibit diameters of less than a nanometre. While experimental studies offer a wide variety of insights at the macroscopic scale, the atomistic level of detail often remains elusive. On the other hand, computer simulation approaches may easily achieve microscopic resolution and hence appear particularly suited for analysis of the mechanisms of ion aggregation. On the basis of atomistic models, new insights are obtained into the early steps of ion association and the self-organisation of disordered aggregates into crystalline structures. / Das Studium der Nukleation von Kristallen stellt eine immense Herausforderung sowohl an die Experimentatoren als auch an die Theoretiker dar. Die Bildung eines Kristalls aus einer Lösung beginnt mit dem Zusammenschluss einzelner Ionen zu kleinen Aggregaten. Diese embryonalen Vorstufen von Kristallen umfassen nur einige Teilchen und weisen Durchmesser von weniger als einem Nanometer auf. Experimentelle Untersuchungen sind oftmals auf die makro- und mesoskopische Größenskala beschränkt und können vergleichsweise wenige Informationen über die atomaren Aggregationsprozesse liefern. Molekulare Simulationen verlaufen im Gegensatz dazu unmittelbar auf der atomaren Detailstufe und stellen so eine hervorragende Ergänzung zum Experiment dar. Im Computer werden dabei Modellszenarien entwickelt, die Aufschlüsse über die elementaren Schritte der Aggregation von Ionen geben können und aufzeigen, wie sich zunächst ungeordnete Agglomerate allmählich zu periodisch geordneten Strukturen organisieren.