Seite 1 Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien Einführung | 1 Winzige Welten,...

Seite 1Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien

Einführung | 1 Winzige Welten, wertvolle Wirkungen

1-1 Willkommen im Nanokosmos CC PP BB

Ein Nanometer (nm) ist der milliardste Teil eines Meters.1 nm = 0,000 000 001 m

Untersuchung, Herstellung und Anwendung von Strukturen unter 100 nm

Was ist Nanotechnik?


Einsatzgebiete | 2 Materialien und mehr

2-1 Vorteile im Verborgenen

Anwendungsgebiet Anwendungsbeispiele

CC PP BB

Biowissenschaften Quantenpunkte als Markierungsstoff

Medizin Nanoteilchen für Wirkstofftransport oder als Kontrastmittel

Kosmetik Nanoteilchen als UV-Schutz in Sonnencreme

Lacke / Farben Nanoteilchen für Kratzbeständigkeit Nanoteilchen als Pigmente Nanoschichten für blickwinkelabhängige Farben

Optik Linsen, Verglasungen und Spiegel Ultraglatte Politur mit Nanopulvern Antireflexschichten

Elektronik Kohlenstoff-Nanoröhren für

Transistoren, OLEDs für Displays


Einsatzgebiete | 2 Materialien und mehr

2-2 Übersicht: Nützliche Nano-Effekte PP BBCC

Nanomaterialien

AntifingerprintAntigraffiti

AntibeschlagAntireflex Antimikrobiell

Selbstreinigend / photokatalytisch

Antifouling

Easy-to-Clean / Schmutz abweisend

Lotus-Effect

Leichtbau / Gewichtsreduzierung

UV-Schutz / Sonnenschutz

Korrosionsschutz

FlammschutzBrandschutzVerschleiß-minderung

Kratzfeste Beschichtungen

Reißfestigkeit / Schlagzähigkeit

Optische Effekte

Biologische EffekteMagnetismus


Berufe | 3 Teamwork für technischen Fortschritt

3 Betätigungsfelder in der Nanotechnik

NanotechnikNanotechnik

Informations- und Kommunikations-

technik

Informations- und Kommunikations-

technik

UmwelttechnikUmwelttechnikEnergietechnikEnergietechnik

Material-wissenschaften

Material-wissenschaften

ChemieChemie

BiologieBiologiePhysikPhysik

AnalytikAnalytik MedizinMedizin

Ingenieur-wissenschaften

Ingenieur-wissenschaften

CC PP BB


Hebelarm und atomare Spitze

Laser

Probe auf Piezo-Steuerquarz (x, y, z)

Detektor

Kondensor*

Objektiv*

Detektoren für:Sekundärelektronen (SE)Rückstreuelektronen (RE)

Probe

KathodeWehnelt-Zylinder

Anode

Ablenkspulen (x, y)

Vakuum

Forschung | 4 Augen und Finger im Unsichtbaren

4 Neue Erkenntnisse – neue Analyseverfahren

Transmissions-Elektronenmikroskop (TEM)

Raster-Elektronenmikroskop (REM)

Rasterkraftmikroskop

CC PP BB

Kathode

Anode

Objekt (Probe)

Objektiv*

Zwischenlinse*

Objektivaperturblende

Endbild auf Leuchtschirm

bzw. Fotoplatte

Wehnelt-Zylinder

Projektiv*

Kondensor*

*elektromagnetische Linsen

Vakuum

Bildschirm


Produktion | 5 Werksatt für Winzlinge

5-1 Zwei Wege führen zu Nanostrukturen CC PP BB

Bottom-up: „von unten nach oben“Aufbau von komplexen Strukturen aus einzelnen Atomen oder Molekülen

Verfahren• Sol-Gel-Prozess• Gasphasensynthese• Chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD)• Physikalische Gasphasenabscheidung (physical vapor deposition, PVD)

Top-down: „von oben nach unten“

Erzeugung nanoskaliger Strukturen durch Verkleinerung bzw. durch ultrapräzise Materialbearbeitung

Verfahren• Zerkleinerung von Pulvern mit Kugelmühlen• Strukturierung mit Stempeltechniken• Strukturierung mit Elektronenstrahlen, Ionenstrahlen oder kurzwelliger UV-Strahlung



5-2 Bottom-up: Aus Sol mach Gel

Sol-Gel-ReaktorErzeugung von Nanopartikeln durch Fällungsreaktionen im Sol-Gel-Verfahren

CC PP


Gasphasensynthese Gasphasenreaktor

CC PP

Nukleation Wachstum Aggregation

Vorläufer-Dampf

Oxid-Dampf Kügelchen Verklumpung

Reaktions-bereich /

Flammzone

Keimbildung

Temperatur / Zeit


5-3 Bottom-up: Teilchentreffen in der Gasphase


Einsatzmöglichkeiten von Nanomaterialien

Elektrochrome Rückspiegel (tönen sich auf ein elektrisches

Signal hin)Nano-Rußpartikel für

bessere Haftung

Vom Blickwinkel abhängige Farbe

Kratzfeste Lacke

Kleben stattschweißen

Schmutz abweisende Oberflächen

Kratzfeste Beschichtung

(Kunststoffteile)

Wirksamerer Katalysator

Brennstoffzelle 2H2+O2 => 2H2O

Verschleißminderung im Motor

Leichtere, stabilere und elastischere Kunststoffe

Wärme reflektierende Verglasung

Antireflexbeschichtung (Kombiinstrumente)

CC PPPraxis und Perspektiven | 6 Mehr Nutzen im Alltag

6-1 Große Bandbreite: „Nano“ im Automobil


Organische Verbindung

Länge und Breite: je 100–500 nmHöhe: 1 nm

Nanobentonit: Vielseitige Werkstoffe

(1) Organische Modifikation der Oberfläche durch Ionenaustausch

Natriumbentonit „Organo-Ton“

(2) „Entblätterung“ (Exfolierung) der Stapel aus Organobentonit-plättchen und gleichmäßige Verteilung im Kunststoff

CC PP

(3) Flammschutz durch Nanobentonit

Ohne Nanobentonit Mit 5 % Nanobentonit

Praxis und Perspektiven | 6 Mehr Nutzen im Alltag

6-2 Plättchen mit Power-Flammschutz durch Nano-Ton


Lichtbrechung der Perlglanzpigmente

CC

Winkelabhängigkeit der Farbe

Die Farbe der Perlglanzpigmente hängt von der Dicke ihrer Metalloxidbeschichtung ab. Das einfallende weiße Licht wird an ihrer oberen und unteren Grenzfläche so reflektiert, dass sich die zurückgeworfenen Lichtstrahlen dabei auslöschen oder verstärken (Interferenz).

Durch die unterschiedlichen Wegstrecken des Lichtstrahls entstehen unterschiedliche Interferenzfarben, abhängig vom Betrachtungswinkel.

Nano-meter

Silizium-dioxid-plättchen

Metalloxid-Beschichtung

(TiO2 oder Fe2O3)

PPPraxis und Perspektiven | 6 Mehr Nutzen im Alltag

6-3 Nano bringt Farbe ins Spiel


Technische Umsetzung des Lotus-Effects Beispiel: Fassadenfarben

Selbstreinigung von LotusblätternBeispiel: Farbstoffe

Mikrostrukturen mit Nano-Wachs-Kristallen auf der Blattoberfläche

Wasser

Schmutz-partikel

Oberfläche mit Lotus-Effect

Schmutzpartikel haften besser am Wassertropfen als an der

Oberfläche und werden dadurch entfernt

Glatte Oberfläche (Easy-to-clean)

Wasser

Schmutz-partikel

Schmutzpartikel werden durch Wasser nur verlagert

CC PP BBPraxis und Perspektiven | 6 Mehr Nutzen im Alltag

6-4 Nano hält sauber


Magnetische Flüssigkeiten sind kolloidale Dispersionen von magnetischen Nano-partikeln in einer Träger-flüssigkeit, z. B. Wasser

„Igelstruktur“ eines Ferrofluids

Ferrofluid

Praxis und Perspektiven | 7 Bessere Gesundheitsversorgung

7-1 Magnetische Nanopartikel

Der „Rosensweig-Effekt“

CC PP BB


PP BB

Die Magnetfeld-Hyperthermie-Therapie

1. Links: Hirntumorzelle. Rechts: therapeutischer Eisenoxid-Nanopartikel

2. Die therapeutischen Nanopartikel tragen eine biochemische Hülle.

3. Die Nanopartikel-Dispersion wird in den Hirntumor gespritzt.

4. Rechts: Die Partikel werden von den Krebszellen aufgenommen. Links: Gesundes Gewebe

5. Das erkrankte Gewebe wird einem hochfrequenten magnetischen Wechselfeld ausgesetzt.

6. Die Nanopartikel haben sich im Tumor stark angereichert.

7. Die Nanoteilchen geraten in Schwingungen und erhitzen sich.

8. Die Tumorzellen werden zerstört.

Copyright © 2007 MagForce Nanotechnologies AG


7-2 Krebsbekämpfung mit magnetischen Nanopartikeln


Schema des Zahnaufbaus


7-3 Nano für Gesundheit und Wohlbefinden

Zahnbehandlung mit Nanomaterialien

CC BB

HydroxylapatitCa5[OH|(PO4)3 ]

Dentin-Kanälchen

Zahnzement

Offenliegendes Dentin

Pulpa

Zahnbein (Dentin)

Zahnschmelz (Enamel)

Dentinkanälchen unter dem Elektronenmikroskop

Vor BehandlungVor Behandlung

Nach BehandlungNach Behandlung


Antireflex-Schicht

CC PP

> 95 %

Photovoltaik-modul oder Sonnenkollektor

Reflexion

Lichtenergieausbeute

> 90 %

Praxis und Perspektiven | 8 Umweltschutz und Energie

8-1 Nano steigert Power

Sonnenlicht


COOH

COOH

Terephthalsäure Zinkoxid

ZnO

PP

Nanowürfel unter dem Raster-Elektronenmikroskop

Praxis und Perspektiven | 8 Umweltschutz und Energie

8-2 Nano in Würfeln: Mehr als sechs Seiten

Komplexbildung

+

CC


PPPraxis und Perspektiven | 8 Umweltschutz und Energie

8-3 Nanokeramik für Hochleistungsbatterien

Keramik von der RolleEine Nanokeramik-Membran macht Li-Ionen-Batterien sicherer. Auch wenn die Batterie überhitzt, bleibt sie im Gegensatz zu herkömmlichen Kunststoffmembranen temperaturstabil.

2. Anode aus einer Lithium-Graphitverbindung

3. Elektronen bei der Entladung

4. Nanokeramik-Membran

5. Trägermaterial

6. Kathode aus Lithium-Cobaltoxid

7. Elektronen beim Ladevorgang

1. Negative Elektrode (Kupfer)

8. Positive Elektrode (Aluminium)

9. Flüssiges Medium

1

2

3

4

4

5

6

7 8

9

Aufbau der Li-Ionen-Batterie

CC


Sicherheit | 9 Vorausschauend und verantwortungsvoll handeln

9 Chancen und Risiken der Nanotechnologie CC PP BB

Verhalten von Nanomaterialien in den StufenHerstellung -> Gebrauch -> Entsorgung / Recycling

Untersuchung möglicher Wirkungen auf den Menschen und die Umwelt:• Aufnahmewege in Organismen• Verteilung, Verweildauer und Ausscheidung• Biologische / toxikologische Wirkungen (z. B.

Entzündungsreaktionen, Allergien)

Vorausschauendes Handeln• Entwicklung von Testsystemen für Nanomaterialien• Standardisierung der Testsubstanzen• Etablierung von Messverfahren am Arbeitsplatz• Geeignete Maßnahmen zum Schutz der Arbeitnehmer (z. B. Luftfilter)• Kontinuierliche Weiterentwicklung von Handlungsempfehlungen für den sicheren

Umgang mit Nanomaterialien

Fragestellungen der Forschung

Seite 1 Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien Einführung | 1 Winzige Welten,...

Documents

Transcript of Seite 1 Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien Einführung | 1 Winzige Welten,...