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Nanotechnologie

12. August 2020 by

Die Basis der „Nanotechnologie ist“ – einfach ausgedrückt – die Kontrolle des Bausteins Atom. Auslöser der Nanotechnologie-Diskussion ist der amerikanische Physiker Feynman. Im Rahmen seines vielzitierten Vortrages von 1959: „There is plenty of room at the bottom“  gab er einen ersten Ausblick auf die Möglichkeiten, die in der Kontrolle kleinster Einheiten und der damit verbundenen Möglichkeiten der Miniaturisierung verborgen liegen.

Der Begriff Nanotechnologie wird synonym verwendet mit „Molekulartechnologie“ und wurde vorwiegend durch Eric Drexler geprägt. In seinem Buch „Engines of Creation“ (1986) beschreibt er – übrigens auf Grundlage der Arbeiten von Feynman – die Möglichkeit der Erzeugung molekularer Maschinen, die in der Lage sind, Atome zu Molekülen zu verknüpfen und so neue Objekte von innen nach außen aufbauen können. Der Schlüssel liegt seiner Meinung nach in einer kontrollierbaren Selbstorganisation des Aufbaus („Self-Assembly“).

Die NASA definiert Nanotechnologie wie folgt:

Nanotechnologie ist die Herstellung von funktionellen Materialien, Hilfsmitteln und Systemen durch Kontrolle des Geschehens sowie die Erforschung von neuen Phänomenen und Eigenschaften (physikalisch, chemisch und biologisch) auf einer Nanometer-Skala (1-100 nm  ).

Das deutsche Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) gibt folgende Definition:

Nanotechnologie umfasst die technologische Nutzung von physikalischen, d.h. mechanischen, elektronischen und optischen Phänomenen, die für die Nanometerskala charakteristisch sind; nicht darunter fällt die bloße Verkleinerung heutiger Mikrostrukturen im Mainstream einschließlich der Mikroelektronik und Phänomene, die durch einzelne Moleküle erzielbar sind.

Deutlich unterscheiden sollte man die Nanotechnologie von der „Mikrotechnologie“. Während die Mikrotechnologie als sogenannte Top-Down-Technologie mit mehr oder weniger herkömmlichen Verfahren versucht, zu immer kleineren Strukturen und Systemen zu gelangen, überwiegt bei der Nanotechnologie der Bottom-Up-Ansatz. Hier geht man von kleinsten Einheiten (Atomen, Molekülen) aus und versucht, biologische, chemische oder physikalische Systeme „von unten“ aufzubauen. Zwar beruhen viele der heute bekannten Nanotechnologie-Entwicklungen auf dem aus der Mikrotechnologie bekannten Vorgehen (Top-Down), doch sind dem Vordringen in molekulare Bereiche hier natürliche Grenzen gesetzt. Die Kontrolle von Atomen als Bausteinen der Materie ist über diesen Weg nicht möglich. Wirklich bahnbrechende Entwicklungen der Nanotechnologie werden aber nur über diese Schiene realisiert werden können.

Gegenstand der Nanotechnologie ist insbesondere auch die Nutzung neuer Funktionen, die einerseits auf der geometrischen Größe, andererseits aber auch auf den materialspezifischen Eigenschaften der Nanostrukturen basieren. Zukünftige Anwendungsmöglichkeiten der Nanotechnologie sind aus heutiger Sicht nahezu unbegrenzt. Mittlerweile gibt es erste erfolgreiche industrielle Anwendungen, die sich aber wenig spektakulär meist auf die Verbesserung bestehender Produkte zentrieren. Vom Traum der Nanotechnologen, einer Art selbstreplizierendem Nanoroboter (siehe „Selbstreplizierende Systeme“), der in seiner Umgebung gezielt und kontrollierbar Aufgaben verfolgt (z.B. winzige Roboter, die in den Blutgefäßen eigenständig krankhafte Ablagerungen beseitigen), sind wir allerdings sicherlich noch Jahrzehnte entfernt.

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In der Abbildung ist ein Fall dargestellt, in dem eine Organisation zwei Transformationsschritte benötigt, um sich zukunftsfähig aufzustellen.

Wichtig ist bei der Entwicklung der zugehörigen Roadmap, dass die strategischen Initiativen der frühen Phase der digitalen Transformation zu einer Situation führen, in der das Unternehmen bereits nach dem nächsten Entwicklungsschritt spürbare Wettbewerbsvorteile erzielen kann. Außerdem müssen die strategischen Initiativen der späteren Phase des Transformationsprojektes nahtlos an die vorangehenden Initiativen anschließen und auf diesen aufbauen.

In der Abbildung des Pipeline Modells der Veränderung ist am linken Ende der Veränderungsbedarf oder der Veränderungswunsch dargestellt. In diesem Beispiel nehmen wir einen großen Veränderungsbedarf an: je größer der Durchmesser ist, desto größer der Veränderungsbedarf.

Der Durchfluss durch alle fünf Rohrelemente symbolisiert die erreichbare Veränderung und wird von den jeweiligen Rohrdurchmessern definiert. Das, was am Ende an Veränderung nachhaltig umgesetzt werden kann, wird vom engsten Teilstück bestimmt (Flaschenhalsprinzip). In der Abbildung ist das Wollen der Engpass: Egal wie groß die anderen Rohrelemente sind, die mögliche Veränderung wird in diesem Beispiel vom Wollen limitiert. Das ist in der Praxis übrigens tatsächlich oft der limitierende Faktor.

In der Abbildung sind die Ergebnisse der Bestimmung des digitalen Status quo in einer Übersicht dargestellt. Die Kreise mit den Zahlen bezeichnen die neun Reifegradebenen unseres Modells. In Graugrün finden Sie die Ergebnisse für den heutigen und zukünftigen Markt des Unternehmens. In Orange die Ergebnisse zum Status quo des Unternehmens.

In diesem Beispiel müsste das Unternehmen die Reifegradebene drei haben, siehe die graugrünen Balken im Segment „Markt“, um in seinem heutigen Markt voll wettbewerbsfähig zu sein. Der äußere, graugrüne Kreis bezeichnet das Ziel der digitalen Transformation in einigen Jahren. Danach muss das Unternehmen in dieser Zeit die Reifegradebene fünf erreichen, um auch zukünftig erfolgreich zu sein.

Der orangefarbene, innere Kreis bezeichnet den heutigen Reifegrad des Unternehmens als Ganzes. Es ist der Reifegrad zwei. Somit kann das Unternehmen seine Wettbewerbsfähigkeit in seinem heutigen Markt rasch steigern, indem es den Reifegrad drei erreicht. Die Schwerpunkte dieser Entwicklung sollten zunächst in einer besseren Ausgestaltung der Digitalstrategie, der Kundengewinnung und Kundenbindung (Life Cycle), der Ausgestaltung der Informations- und Kommunikationstechnologie im Unternehmen (IKT) sowie der Realisierung digitaler Innovationen liegen.

In der Abbildung sind einige Elemente des digitalen Reifegradmodells dargestellt. Von links nach rechts steigt der Reifegrad. Der maßgebliche Markt ist in der ersten Zeile dargestellt.

Auf Reifegradebene 1 handelt es sich um einen einfachen Markt, in dem die Digitalisierung praktisch keine Rolle spielt. Entsprechend stellt dieser Markt auch keine diesbezüglichen Anforderungen an das Unternehmen oder den Organisationsbereich.

Ab Reifegradebene 4 ist die Digitalisierung wesentlich und erfordert zum Beispiel eine Digitalisierung von Teilen der Organisation, was meist von einem Chief Digital Officer (CDO) verantwortet wird.

Ab Reifegradebene 7 ist die Digitalisierung bestimmend und stellt höchste Anforderungen an Unternehmen. Sie müssen sich mit disruptiven Innovationen in der Bereichen Prozesse, Produkte und Geschäftsmodelle befassen, den Umgang mit Big Data und fortgeschrittener Künstlicher Intelligenz (KI) beherrschen und ihre Wertschöpfungskette mit Partnern zu einem Wertschöpfungsnetzwerk ausbauen.

In der Abbildung sind die Ergebnisse der Analyse in der S-Matrix dargestellt. Eine Organisationseinheit (OE) des Unternehmens, siehe der rötliche Kreis mit der Nummer 1, weist eine rein hierarchische Organisationsform auf, die beiden anderen eine funktionale, divisionale oder Matrix-Organisation.

Die heutigen Märkte, siehe die gelben Quadrate, deuten darauf hin, dass OE1 und OE3 ihre Organisationsform rasch anpassen müssen, um in der aktuellen Situation wettbewerbsfähig zu bleiben. Die Organisationsform der zweiten OE passt zu ihrem Markt.

In einigen Jahren muss sich dieses Unternehmen auf einen hoch dynamischen und komplexen Markt einstellen, siehe die gelben Rauten. Daher müssen sich die OE zu modernen Organisationsformen mit flachen Hierarchien wandeln, um auch zukünftig erfolgreich zu sein.