NanoMat Newsletter 01 | 2015 01
NanoMat Newsletter 1 | 2015
Forschungsnews
Bosch: Batterien aus Elektroautos für ein stabiles Stromnetz
STO AG: „Intelligente“ Photovoltaik liefert das Plus an Energie
KIT: Siliziumkarbid steigert Energieeffizienz
TU Darmstadt: Grüne Chemie trifft Nano
Fraunhofer IGB: Mit Abwärme heizen und kühlen
NanoMat Newsletter 01 | 2015 02NanoMat Newsletter 03 | 2014
SENN2015 - International Congress
on Safety of Engineered Nano-
particles and Nanotechnologies
Helsinki, Finnland
12. - 15. April INFOS
Hannover Messe 2015
Hannover, Deutschland
13. - 17. April INFOS
Printed Electronics Europe2015
Berlin, Deutschland
28. - 29. April INFOS
i-WING 2015
Vom Material zur Innovation
Dresden, Deutschland
27. - 29. April
Graphene and Beyond 2015
University Park (PA), USA
11. - 12. Mai INFOS
NanoOstrava 2015 - Nanomaterials
and Nanotechnology Meeting
Ostrava, Tschechien
18. - 21. Mai INFOS
TechConnect World 2015
Washington, DC, USA
14. - 18. Juni INFOS
NANOTECH FRANCE 2015
Paris, Frankreich
15. - 17. Juni INFOS
ACHEMA
Frankfurt a. M., Deutschland
15. - 18. Juni INFOS
10th International Nanotechnology
Symposium „New ideas for industry“
Dresden, Deutschland
1. - 3. Juli INFOS
TERMINE InhaltVorwort ......................................................................03
Berichte aus dem Cluster ..........................................03NanoVision 2015 ...........................................................................03
Messestand auf der nanotech 2015 in Tokio ..................................04
Neue Mitglieder .............................................................................04
Aktuelle Ausschreibungen .......................................05
Forschungsnews intern ............................................06BASF führt die nächste Generation der katalytischen
Beschichtungstechnologie PremAir® NXT ein .................................06
DECHEMA: Plattform für NanoBioMedizin .....................................06
Evonik beteiligt sich an finnischem Unternehmen der
Nanophotonik ................................................................................07
MUNICH RE: Neues Risikomanagement für neue Technologien ......08
Bosch: Batterien aus Elektroautos für ein stabiles Stromnetz ...........09
STO AG: „Intelligente“ Photovoltaik liefert das Plus an Energie ......10
KIT: Siliziumkarbid steigert Energieeffizienz ....................................11
TU Darmstadt: Grüne Chemie trifft Nano ......................................11
Uni Duisburg-Essen: Erstmals beobachtet: Reaktives Molekül .........13
Uni Duisburg-Essen: Zusätze entscheidend .....................................13
FAU: Wie Nanopartikel interne Struktur von Flüssigkeiten
umordnen ......................................................................................14
Uni Stuttgart: Schadstoffe aus Photovoltaik-Modulen .....................15
Uni Ulm: Erster Chemiebaukasten der Uni Ulm zur
Nanotechnologie auf dem Markt ...................................................15
Uni Ulm: Biologische Nanopartikel im Dienst der Medizin ...............16
Fraunhofer ICT: verbesserte sicherheit von Lithium-Ionen-Akkus
durch gezielte Analytik ...................................................................17
Fraunhofer IFAM: Rückstandsfreie Bauteilentformung durch
permanente Werkzeugbeschichtung ..............................................18
Fraunhofer IGB: Mit Abwärme heizen und kühlen .........................20
Fraunhofer IFW: Magnetsinn für jedermann ..................................21
Fraunhofer IGB: Schadstoffe im Wasser einfach binden ..................21
MPI Stuttgart: Das perfekte Baumaterial für Nano-Roboter .............23
Fraunhofer ISC: FLASHED! Touch-Screens für flexible Displays ........24
Forschungsnews Extern ...........................................07
NanoMat Newsletter 01 | 2015 03
Vorwort
Liebe NanoMat-Mitglieder und –Freunde,
in der ersten Ausgabe unseres Newsletters im Jahr 2015 berichten wir unter anderem vom Wissenschafts-In-
dustrie-Symposium NanoVision in Stuttgart und von der NanoTech 2015 in Tokio. Wie immer haben wir für Sie
Artikel über interessante Entwicklungen bei unseren Partnern zusammengestellt und informieren wir Sie über
aktuelle Ausschreibungen und die neuesten Wissenschaftsnachrichten aus dem Bereich Nanotechnologie.
Viel Spaß bei der Lektüre wünscht Ihnen
Ihr NanoMat-Team
BERICHTE AUS DEM CLUSTER
NANOVISION 2015
Am 22. und 23. Januar 2015 veranstaltete Nano-
Mat in Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IGB
das Wissenschafts-Industrie-Symposium NanoVisi-
on 2015 in Stuttgart. Die rund 60 Teilnehmer aus
25 Instituten und Unternehmen diskutierten in
einem abwechslungsreichen Programm Themen
aus den Bereichen Nanotechnologie, Nanomedi-
zin, Toxikologie, Messtechnik, Risikobewertung,
Regulation und Kommunikation. Wir möchten an
dieser Stelle nochmals allen Vortragenden für ihr
großes Engagement danken und haben uns über
ein durchweg positives Feedback zur Veranstal-
tung in der abschließenden Evaluation gefreut. In
Zukunft wünscht sich die Mehrzahl der Teilnehmer
eine weitere Vertiefung der Themen „Industrielle
Anwendungen der Nanotechnologie“, „Nanome-
dizin“ und „Toxikologie“. Diesen Wünschen wollen
wir gerne Rechnung tragen.
Die nächste NanoVision-Konferenz findet vom
16. bis 17. November 2015 an der
Universität Erlangen-Nürnberg statt.
Prof. Dr. Annika Vogt (Charité Berlin) bei ihrem Vortrag zum Thema „Carrier-Based Transcutaneous Cell Targeting“ auf der NanoVision 2015 in Stuttgart.
NanoMat Newsletter 01 | 2015 04
International Workshop on Thin Films
for Electronics, Electro-Optics, Energy
and Sensors
Suzhou, VR China
4. - 6. Juli INFOS
NANOTEXNOLOGY 2015
Exhibition on Nanotechnologies
Thessaloniki, Greece
4. - 11.Juli INFOS
ICNFA‘15
6th International Conference on
Nanotechnology: Fundamentals and
Applications
Barcelona, Spanien
15. - 17. Juli INFOS
15th International Conference on
Nanotechnology (IEEE-NANO 2015)
Rom, Italien
27. - 30. Juli INFOS
SPIE Optics + Photonics 2015
San Diego, USA
9. - 13. August INFOS
Nanotechnology 2015
Frankfurt a. M., Deutschland
11.-13. August INFOS
Nanoforum XI Edition
Milano, Italien
29. September - 2. Oktober INFOS
TERMINE
Vom 28. bis zum 30. Januar
präsentierten Dr. Punckt und
Dr. Schramm NanoMat auf
der nanotech 2015 in Tokio
mit einem Messestand am
Deutschen Pavillon. Es wur-
den Poster und Broschüren
des BELLA Labors (einem Ge-
meinschaftslabor zur Batterie-
forschung und Elektrochemie
des Karlsruher Instituts für
Technologie und der BASF
SE), der Evonik, der Nano-
match GmbH, der Nanoscribe
GmbH sowie der Palas GmbH
präsentiert und selbstver-
ständlich auch das NanoMat
Netzwerk vorgestellt. Neben
Dr. Punckt und Dr. Schramm
verstärkten Mitarbeiter der
Evonik aus Shanghai und
Tokio den Stand personell.
Der Aufenthalt in Tokio führte
sowohl zu einer Vertiefung
bestehender als auch zur
Anbahnung einer Reihe neuer
Kontakte in Japan, so zum
Beispiel zum National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST)
und zur Tsukuba Innovation Arena (TIA nano), die wir nun weiter ausbauen werden.
Des Weiteren ergaben sich eine Reihe potentiell interessanter Kontakte zu Organisatio-
nen aus anderen Länder des asiatischen Raumes, insbesondere nach Korea, Taiwan und
Thailand.
Nebenbei kamen wir auch mit ebenfalls anwesenden Kollegen aus Deutschland, Groß-
britannien, Kanada, der Schweiz Spanien, und Tschechien ins Gespräch, und konnten
so unser Netzwerk an internationalen Kontakten weiter ausbauen.
MESSESTAND AUF DER NANOTECH 2015 IN TOKIO
Dr. Christian Punckt, Dr. Paul Brandl (Vice President R&D/Applied Technology Asia-Pacific, Evonik) und Dr. Frank Schramm vor dem NanoMat Messestand auf der nanotech 2015 in Tokio.
NEUE MITGLIEDERAls neuestes Mitglied begrüßen wir die Nanomatch GmbH (www.nanomatch.de).
Nanomatch entwickelt unter anderem Lösungen zur Modellierung der elektronischen
Transporteigenschaften organischer Halbleitermaterialien.
NanoMat Newsletter 01 | 2015 05
• KMU-innovativ
Nanotechnologie – Nanochance
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
unterstützt risikoreiche industrielle Forschungs- und
vorwettbewerbliche Entwicklungsvorhaben von kleinen
und mittleren Unternehmen (KMU) aus dem Bereich der
Nanotechnologie.
http://www.foerderdatenbank.de
Ressourcen- und Energieeffizienz
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF)
unterstützt risikoreiche industrielle Forschungs- und
vorwettbewerbliche Entwicklungsvorhaben von kleinen
und mittleren Unternehmen (KMU) auf dem Gebiet der
Ressourcen- und Energieeffizienz unter Einbeziehung des
Klimaschutzes.
http://www.foerderdatenbank.de
• Spitze auf dem Land! - Technologieführer für Baden-
Württemberg
Im Entwicklungsprogramm Ländlicher Raum mit Kofi-
nanzierung aus dem EFRE-Programm 2014-2020 soll die
Spitzenstellung des Landes weiter ausgebaut werden.
Das Förderangebot spricht kleine und mittlere Unterneh-
men mit weniger als 100 Beschäftigten im ländlichen
Raum an, die aufgrund ihrer Innovationsfähigkeit und ihrer
ausgeprägten Technologiekompetenz in der Umsetzung
und Anwendung innovativer Produktionsprozesse und Pro-
dukte das Potential zur Technologieführerschaft erkennen
lassen.
https://www.efre-bw.de
• Entwicklung und Erprobung neuer, innovativer Pro-
jekte und Dienstleistungen von und für Cluster
Das Ministerium für Finanzen und Wirtschaft unterstützt
auf Grundlage der EFRE-OP, Maßnahme „Clusterförde-
rung“ und der VwV EFRE-Cluster und Innovationsplatt-
formen-CLIP 2014-2020, die Entwicklung und Erprobung
neuer, innovativer Projekte und Dienstleistungen durch
regionale Cluster-Initiativen und Innovationsplattformen.
https://www.efre-bw.de
AKTUELLE AUSSCHREIBUNGEN
• 6. Energieforschungsprogramm
Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zum Themenfeld
Materialforschung für die Energiewende
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung
(BMBF) unterstützt auf der Grundlage des 6. Energiefor-
schungsprogramms Projekte der Grundlagenforschung im
Bereich der Materialforschung für die Energiewende.
http://www.foerderdatenbank.de
• Horizont 2020
Aktuelle Ausschreibungen
http://ec.europa.eu
LEIT Programm (Informations- und Kommunikationstech-
nologie Elektronik, Mikrosysteme, embedded systems,
dünne organische & großflächige Elektronik, big data)
http://ec.europa.eu
EN Programm (Nanotechnologie - Neue Materialien - Pro-
duktion, Biotechnologie, FoF, energie-effizientes Bauen,
nachhaltige Prozesse)
http://ec.europa.eu
• Zentrales Innovationsprogramm Mittelstand (ZIM)
ZIM ist ein bundesweites, technologie- und branchenof-
fenes Förderprogramm des BMWi für mittelständische
Unternehmen und mit diesen zusammenarbeitende wirt-
schaftsnahe Forschungseinrichtungen. Gefördert werden
Einzelprojekte, Kooperationsprojekte und Kooperations-
netzwerke. Antragstellung ist bis 31.12.2014 möglich.
http://www.zim-bmwi.de/
NanoMat unterstützt bei der Projektpartnersuche und An-
stragstellung und übernimmt bei Bedarf Koordination und
Projektmanagment.
NanoMat Newsletter 01 | 2015 06
FORSCHUNGSNEWS INTERN
BASF FÜHRT DIE NÄCHSTE GENERATION DER KATALYTISCHEN BESCHICHTUNGSTECHNOLOGIE PREMAIR® NXT EIN
• Reduziert durch Anwendung auf dem
Kühlergrill bodennahes Ozon
• Ermöglicht Automobilherstellern, die
Emissionsvorschriften U.S. Tier 3 und
California LEV III einzuhalten
BASF hat am 13. Januar 2015 die
Markteinführung von PremAir NXT, einer
hochmodernen katalytischen Beschich-
tungstechnologie von Kühlergrills zur
direkten Ozonreduktion (DOR), bekannt-
gegeben. Sie kann Automobilherstellern
dabei helfen, die neuen US-Emissionsre-
gularien U.S Tier 3 und California LEV III
einzuhalten.
Auf den Kühlergrill aufgetragen wandelt
die PremAir NXT-Beschichtung bodennah-
es Ozon – die wesentliche Komponente
von Smog – in Sauerstoff um. Als Wei-
terentwicklung der ursprünglichen BASF
PremAir-Beschichtungstechnologie weist
PremAir NXT eine höhere Beständigkeit
und eine verbesserte Leistung bei der
Ozonumwandlung während der gesam-
ten Lebensdauer eines Fahrzeugs auf.
„Durch den Trend zu kleineren Motoren
und kleineren Kühlergrills ist es wichtig,
die Leistung der eingesetzten katalyti-
schen Beschichtung zu steigern“, sagt
Jim Chirumbole, verantwortlich für das
Geschäft der BASF mit Emissionskataly-
satoren in der Region Amerika. „PremAir
NXT begegnet dieser Herausforderung,
indem es den Automobilzulieferern eine
neue Möglichkeit bietet, ihre Flotten-
strategie anzupassen und trotz kleinerer
Kühlergrills mit einer geringeren be-
schichtbaren Fläche die Vorgaben für den
Erhalt von Emissionsboni zu erfüllen.“
Die US-Emissionsvorschriften U.S. Tier 3
und California LEV III verlangen von den
Automobilherstellern, in ihrer gesamten
Fahrzeugflotte strengere Emissionsstan-
dards einzuhalten: Bis 2025 muss der
Ausstoß an nicht-methanhaltigen orga-
nischen Gasen (NMOG) und Stickoxiden
(NOx) im Durchschnitt der gesamten
Fahrzeugflotte auf 30 Milligramm pro
Meile (ca. 19 Milligramm pro Kilometer)
gesenkt werden. Weiterhin verlangen
die Vorschriften eine verlängerte Le-
bensdauer der Emissionskontrollsysteme
eines Fahrzeugs auf 150.000 Meilen
(ca. 240.000 Kilometer). PremAir NXT
unterstützt die Automobilhersteller bei
der Einhaltung dieser Ziele und wird bei
der Zertifizierung eines Fahrzeugs mit
einem Bonus von 5 Milligramm pro Meile
(ca. 3 Milligramm pro Kilometer) bezogen
auf die gesamten Emissionen über die
Lebensdauer des Fahrzeugs honoriert.
BASF hat mehr als 10 Jahre Erfahrung mit
der patentierten PremAir-Beschichtungs-
technologie, die schon in mehr als drei
Millionen Fahrzeugen weltweit eingesetzt
worden ist.
https://www.basf.com
DECHEMA: EXPERTEN GRÜNDEN NATIONALE PLATTFORM FÜR NANOBIOMEDIZIN
Die NanoBioMedizin eröffnet neue,
faszinierende Möglichkeiten für Diagnos-
tik, Therapie und Medizintechnik. Um ihr
großes wissenschaftliches und wirtschaft-
liches Potenzial zu erschließen, richten
Experten aus Akademia und Industrie nun
eine deutsche NanoBioMedizin Plattform
ein. Sie erleichtert den Austausch und
die Zusammenarbeit der verschiedenen
Fachrichtungen und Organisationen
sowie Fördermittelgebern. Die Grün-
dungsveranstaltung findet am 4. März
2015 in Frankfurt statt. Im Vorfeld gibt
ein Positionspapier Überblick über die
heutige Situation der NanoBioMedizin
in Deutschland und fasst Vorschläge für
Forschungsthemen und Handlungsemp-
fehlungen für die praktische Umsetzung
zusammen.
Nanotechnologie ist einer der Hoffnungs-
träger für die Diagnostik und Therapie
von Erkrankungen. So könnten hoch-
empfindliche Nanopartikel und nanos-
trukturierte Systeme bestimmte Moleküle
erkennen, die als „Biomarker“ für be-
stimmte Krankheiten oder die Wirksam-
keit eines Medikaments fungieren; das
wäre eine Grundlage für eine persona-
lisierte Medizin, bei der die Behandlung
individuell auf den Patienten abgestimmt
werden kann. Nanopartikel könnten auch
Medikamente direkt an ihren Einsatzort
bringen und beispielsweise an Krebs-
zellen „andocken“, um nur an diesen
Zellen ihre Wirkstoffe freizusetzen, was
Nebenwirkungen bei der Krebstherapie
entscheidend verringern könnte.
NanoMat Newsletter 01 | 2015 07
FORSCHUNGS- NEWS EXTERN
30.11.2014
Stanford
Warm durch den Winter dank metalli-
scher Nanodrähte INFO
17.12.2014
Oak-Ridge National Laboratory
Schreiben auf der Nanoskala mit ioni-
schen Flüssigkeiten INFO
09.01.2015
MIT
Einzelphotonendetektor auf optischem
Chip INFO
21.01.2015
Leibnitz-Institut
Künstliches Perlmutt: Eine Ziegelmauer
auf der Nanoskala INFO
21.01.2015
Brookhaven National Laboratory
Selbst-assemblierte Nanostrukturen als
Anti-Reflexbeschichtung INFO
29.01.2015
Oxford University
Federfußspinne weist den Weg zur
verbesserten Verarbeitung von
Polymerfasern INFO
29.01.2015
ETH Zürich/Empa/U Bath
Farbig lumineszierende colloidale
Nanokristalle INFO
02.02.2015
MIT
Wie sich Oberflächen in Falten legen
INFO
04.02.2015
Caltech
Kaliumsalz als „grünes“
Katalysatormaterial INFO
Zusammengefasst werden diese Ideen
unter dem Stichwort „NanoBioMedizin“.
Sie setzt eine sehr genaue Kenntnis einer-
seits über pharmazeutische und bioche-
mische Zusammenhänge, andererseits
über die Eigenschaften von Nanopartikeln
und nanostrukturierten Systemen voraus.
Die Zusammenarbeit von Chemikern,
Medizinern, Physikern, Pharmakologen
und Ingenieurwissenschaftlern, die dafür
notwendig ist, wird heute schon bei-
spielsweise an ersten Translationszentren
für Regenerative Medizin erprobt.
Auf europäischer Ebene übernimmt die
„European Technology Platform Nanome-
dicine“ die Rolle einer Informations- und
Diskussionsplattform. Auf nationaler
Ebene fehlen bisher entsprechende
Strukturen, um das vorhandene wissen-
schaftliche und wirtschaftliche Potenzial
umzusetzen und Deutschland in eine
Spitzenposition in dieser Zukunftstechno-
logie zu bringen. Experten aus Industrie
und Forschungseinrichtungen haben im
Rahmen eines temporären ProcessNet-
Arbeitskreises ein Positionspapier entwi-
ckelt, das die Einsatzmöglichkeiten, aber
auch die nötigen Voraussetzungen für
die Entwicklung der NanoBioMedizin von
den Strukturen über Forschungsthemen
bis zur Ausbildung skizziert.
http://www.dechema.de
EVONIK BETEILIGT SICH AN FINNISCHEM UNTERNEH-MEN DER NANOPHOTONIK
• Nanocomp Oy entwickelt und produ-
ziert optische Komponenten basie-
rend auf mikro- und nanooptischen
Strukturen
• Ergänzung für das Geschäft von Evonik
mit Lichtleitfolien
• Innovative Anwendungen wie 3D-
Gestenerkennung, Medizintechnik und
Augmented Reality sollen künftiges
Wachstum treiben
Evonik beteiligt sich an Nanocomp Oy
Ltd. mit Sitz in Lehmo (Finnland) und hat
damit einen Minderheitsanteil an dem
Unternehmen erworben. Die Investition
wurde zusammen mit dem Co-Investor
Finnvera Venture Capital getätigt. Über
das Volumen der Transaktion verein-
barten die Beteiligten Stillschweigen.
Nanocomp ist führend bei Entwicklung
und Erzeugung von mikro- und nanoop-
tischen Strukturen auf Kunststofffolien.
Diese sind notwendig, um optische Syste-
me immer kleiner und zugleich leistungs-
stärker zu machen.
Innovationen von Nanocomp erlauben es,
Eigenschaften von Licht zu nutzen, die
mit herkömmlicher Optik nicht zugäng-
lich sind. Dank dieser Nanophotonik
können Kameras Gesten auch in 3D er-
kennen oder Ärzte bei minimal-invasiven
Eingriffen schärfere Bilder sehen. Displays
lassen sich auch bei schwierigen Lichtver-
hältnissen gut lesen. Außerdem kommen
nanooptische Strukturen in der Augmen-
ted Reality zum Einsatz, etwa in Brillen,
bei denen ein integrierter Minicomputer
zusätzliche Informationen in das Sichtfeld
einblendet.
"Die Aktivitäten von Nanocomp passen
strategisch sehr gut zum Geschäft von
Evonik“, erläutert Dr. Bernhard Mohr,
Leiter Venture Capital bei Evonik. „Durch
die fortschreitende Digitalisierung und
Vernetzung von Mensch und Maschi-
ne gibt es einen klaren Trend hin zur
Miniaturisierung von optischen Bauteilen.
Nanocomp ist mit seinem Know-how ein
Vorreiter auf diesem Gebiet. Für Evonik
öffnet sich so die Tür zu hochattraktiven
Wachstumsmärkten."
NanoMat Newsletter 01 | 2015 08
FORSCHUNGS- NEWS EXTERN
12.02.2015
MIT
Groß-skalige Herstellung von OLED-
Displays mittels Tintenstrahldruck?
INFO
19.02.2015
MIT
Selbst-heilendes Nanogel als Medika-
menten-Depot INFO
23.02.2015
U Birmingham/U Paderborn
Hologramme aus orientierten Nano-
säulen mit 80% Beugungseffizienz
INFO
25.02.2015
MIT
Komplexe, rekonfigurierbare Emulsio-
nen mit verschiedensten Anwendun-
gen INFO
26.02.2015
MIT/Harvard
Farbige Streifen der Napfschnecke
inspirieren Forscher INFO
12.03.2015
U Pennsylvania
Molybdändisulfid-Plättchen als schmal-
bandige Lichtquelle INFO
23.03.2015
Northwestern University
MRI Kontrastverstärkung mit Gadolini-
um-dekorierten Nanopartikeln INFO
27.03.2015
U Tübingen
Wie Bakterien Eisenminerale als Ener-
giespeicher einsetzen können INFO
30.03.2015
Tsinghua University
Stabile Lithium-Schwefel-Batterien mit
Graphenoxidmembran INFO
Veli-Pekka Leppänen, Geschäftsführer
von Nanocomp, sagt über die Transakti-
on: „Wir freuen uns, Evonik als strategi-
schen Investor gewonnen zu haben. Wir
wollen nun die Produktion erweitern und
neue Märkte erschließen. Das Know-
how, das Evonik als strategischer Investor
einbringt, ermöglicht es uns, Entwicklung
und Vermarktung innovativer Anwendun-
gen voranzutreiben.“
Nanocomp verwendet zur Erzeugung der
mikro- und nanooptischen Strukturen
innovative Lichtleitfolien von Evonik. Das
finnische Unternehmen verfügt über
eine einzigartige Technologie, bei der im
Rolle-zu-Rolle-Verfahren die Strukturen
sehr effizient und präzise auf die Folien
aufgebracht werden. Die Produkte von
Nanocomp kommen bereits in Display-
Beleuchtungen und Lasersensoren zum
MUNICHRE: GRÖSSER, SCHNELLER, HÖHER: NEUE TECHNOLOGIEN ERFORDERN ANDERES RISIKOMANAGEMENT
Hochhäuser von bald 1 km Höhe, Tunnel
von mehr als 50 km Länge, der Transport
von feuergefährlichen Lithium-Akkus
in Flugzeugen: Neue Technologien und
immer komplexere Vernetzungen lassen
kontinuierlich neue Risiken entstehen
oder verändern diese.
Solche neuen Technologien mit neuarti-
gen Risiken bringen Veränderungen für
die Gesellschaft und Unternehmen. Das
Risikomanagement muss sich ständig
den steigenden Anforderungen anpas-
sen. Über diese Veränderungen und
notwendige Maßnahmen diskutierten
auf Einladung der Geneva Association,
des CRO Forums und von Munich Re
Chief Risk Officer und Risikomanager
führender internationaler Versicherer mit
Vertretern von Aufsichtsbehörden und
aus der Wissenschaft. Das Positionspapier
„Pushing the limits – managing risk in a
faster, taller, bigger world” der Emerging-
Risk-Initiative des CRO Forums hat die
wesentlichen Trends, Lösungsvorschläge
und die Rolle der Versicherungswirtschaft
dabei zusammengefasst. (Download:
Pushing the limits – Managing risk in a
faster taller, bigger world)
„Modernes Risikomanagement kann auf
Erfahrungen der Vergangenheit aufbau-
en, muss aber neue Vernetzungen und
Wirkungsketten berücksichtigen, die
in der Vergangenheit so nicht existiert
haben“, sagte Bernhard Kaufmann, Chief
Risk Officer von Munich Re. „Versicherer
haben das Knowhow, Risiken zu analysie-
ren und Schadenszenarien zu quantifizie-
ren. Damit tragen sie auch zur Minderung
von Risiken bei. Versicherungslösungen
unterstützen darüber hinaus die Entwick-
lung neuer Technologien.“ Anlässlich der
Konferenz veröffentlichte das CRO Forum
auch eine Untersuchung über die Berück-
sichtigung von Menschenrechtsaspekten
im Risikomanagement von Versicherern.
Einzelheiten hierzu und die Studie selbst
sind auf dem Corporate-Responsibility-
Portal von Munich Re verfügbar.
http://www.munichre.com
Einsatz. Das Unternehmen erzielt im
Markt für Consumer Electronics derzeit
jährlich Umsätze im mittleren einstelligen
Millionen-Euro-Bereich.
Evonik will im Rahmen seiner Venture
Capital Aktivitäten insgesamt 100 Millio-
nen € in vielversprechende Start-ups mit
innovativen Technologien und in führen-
de, spezialisierte Venture Capital Fonds
investieren. Regionale Schwerpunkte sind
Europa, die USA und Asien. Aktuell hält
Evonik Beteiligungen an vier Start-ups
und drei Fonds. Mehr Informationen
unter http://venturing.evonik.com/.
Finnvera verwaltet einen Technologie-
Fonds mit einem Volumen von 133
Millionen € und ist einer der aktivsten
Investoren Finnlands.
http://corporate.evonik.de
NanoMat Newsletter 01 | 2015 09
BOSCH: BATTERIEN AUS ELEKTROAUTOS FÜR EIN STABILES STROMNETZ
Wohin mit den weiterhin wertvollen
Batterien am Ende ihres
Lebenszyklus in Elektrofahrzeugen? Ein
Projekt dreier Partner fügt sie in Hamburg
zu einem großen Speicher zusammen,
um das Stromnetz stabil zu halten.
Elektromobilität und Stromspeicher sind
zwei Kernelemente der Energiewende.
Ein Projekt von Bosch, der BMW Group
und Vattenfall treibt beide Technologie-
felder gemeinsam voran: Gebrauchte
Batterien aus Elektrofahrzeugen werden
in Hamburg zu einem großen Stromspei-
cher zusammengeschaltet.
Dessen Energie steht binnen Sekunden
zur Verfügung und kann dabei helfen,
das Stromnetz stabil zu halten.
BMW, Bosch und Vattenfall sind von die-
sem Konzept überzeugt und haben des-
halb die Allianz „Second Life Batteries“
gebildet. BMW liefert dafür Batterien aus
seinen Elektrofahrzeugen ActiveE und i3.
Vattenfall betreibt den großen Speicher
für zehn Jahre auf seinem Gelände. Bosch
integriert die Batterien und übernimmt
die Systemsteuerung. Der Speicher wird
Teil eines bereits existierenden Virtuellen
Kraftwerks von Vattenfall. Darin kön-
nen verschiedene kleine und dezentrale
Stromerzeuger zusammengefasst wer-
den, die nach außen aber als gemeinsa-
mes Kraftwerk vermarktet werden.
Weiterhin wertvoll
Auch am Ende ihres Lebenszyklus im
Elektrofahrzeug haben Lithium-Ionen-Ak-
kus noch immer eine hohe Speicherkapa-
zität. Damit sind sie weiter sehr wertvoll
und lassen sich als stationäre Pufferspei-
cher noch über viele Jahre äußerst effizi-
ent nutzen. Die drei Partner sammeln in
dem Projekt zahlreiche neue Erkenntnisse
über mögliche Einsatzgebiete für solche
Batterien, zu deren Alterungsverhalten
und ihrer Speicherkapazität. Der Steue-
rungsalgorithmus von Bosch soll unter
anderem für maximale Lebensdauer und
Leistung sorgen.
Erfahrungen damit gibt es bereits: In
Braderup nahe Sylt hat das Unternehmen
bereits einen der größten Stromspeicher
Europas gebaut, um bei Bedarf die Ener-
gie eines Windparks zwischenspeichern
zu können. Dafür wurden tausende klei-
ne Lithium-Ionen-Akkus zu einem großen
Verbund kombiniert. In Kelsterbach bei
Frankfurt hat Bosch nach ähnlichem Mus-
ter einen Lithium-Ionen-Speicher für eine
Wohnsiedlung installiert. Dieses Wissen
kommt auch bei „Second Life Batteries“
zum Einsatz.
„Das Projekt ist wichtig, weil es zwei
strategisch bedeutende Ziele verbindet“,
sagt Bosch-Chef Dr. Volkmar Denner, der
auf die Zukunft des elektrischen Antriebs
setzt. „Wir sehen in der Elektromobilität
einen künftigen Massenmarkt, mit dem
viele neue Geschäftsmodelle und Lösun-
gen einhergehen“, ergänzt der Physiker.
„Dazu gehören stationäre Stromspeicher,
in denen sich gebrauchte Batterien sehr
gut weiterverwenden lassen. Mit solchen
dezentralen Speichern
leisten wir einen
wichtigen Beitrag zur
sicheren Stromversor-
gung.“
Kernelement der
Energiewende
Stromspeicher gelten
als Kernelement der
Energiewende. Sie
können Solarstrom
am Tag aufnehmen
und nachts abgeben
– oder Windstrom
für die Flaute sichern.
So helfen sie dabei,
das oft schwankende
Angebot der erneu-
erbaren Energien
besser ins Stromnetz
zu integrieren. Auch
die Elektromobilität
kann davon profitieren, etwa wenn die
Fahrzeuge nachts mit Solarstrom geladen
werden. Zudem kann ein Speicher seine
Energie schnell abgeben, um damit
Stromnetze zu stabilisieren – etwa als Teil
eines sogenannten Virtuellen Kraftwerks.
Zwei Megawatt Leistung
Zurzeit wird in Hamburg ein Speicher mit
einer Leistung von zwei Megawatt (MW)
und einer installierten Kapazität von
zwei Megawattstunden (MWh) geplant
und gebaut. Die Energie soll im Rege-
lenergiemarkt eingesetzt werden und
kurzfristige Schwankungen im Stromnetz
ausgleichen. Dafür werden mehr als 100
Fahrzeug-Batterien zusammengeschaltet.
Der ganze Aufbau findet in einem eige-
nen kleinen Gebäude Platz. Rechnerisch
ist die Leistung groß genug, um 30 Vier-
Personen-Haushalte für sieben Tage mit
Strom zu versorgen. Die Partner gehen
davon aus, dass der Speicher bis Ende
2015 in Betrieb gehen wird.
http://www.bosch-presse.de
"Second Life für gebrauchte Elektrofahrzeug-Batterien - AmEnde des Lebenszyklus eines Elektroautos ist der Akkuweiterhin wertvoll. Mehrere solcher Akkus lassen sichzusammenschalten, um daraus einen Stromspeicher zu bauen.Dieser kann unter anderem dazu beitragen, das Stromnetz zustabilisieren."
NanoMat Newsletter 01 | 2015 10
STO AG: „INTELLIGENTE“ PHOTOVOLTAIK LIEFERT DAS PLUS AN ENERGIE
Plusenergiehaus von Vivawest: Photovol-
taik an Dach und Fassade
Mit der energetischen Sanierung eines
Bottroper Mehrfamilienhauses startete
das Wohnungsunternehmen Vivawest ein
deutschlandweit einzigartiges Pilotpro-
jekt: Die Immobilie wurde mit modernen
Baustoffen und innovativer Technik zum
„Plusenergiehaus“ aufgewertet. Jetzt
erzeugt sie mehr Energie als ihre Bewoh-
ner verbrauchen. Für den größtmöglichen
Stromertrag wurden sowohl das Dach als
auch die Südfassade mit Photovoltaik-
Modulen „veredelt“.
Das Mehrfamilienhaus am Ostring 124
in Bottrop war ein typischer Bau der
1960er-Jahre. Nach der energetischen
Sanierung zeigt es nun, 54 Jahre später,
innerlich wie äußerlich neuen Glanz. Es
ist das erste Plusenergiehaus seiner Art
in Deutschland und erzeugt jetzt mehr
Energie als seine Bewohner verbrauchen.
„Primärenergiebedarf“ auf ein
Minimum reduziert
Um den Wärmebedarf so gering wie
möglich zu halten, ist das Gebäude vom
Keller bis zum Dach gedämmt. Dadurch
sinkt der Jahresprimärenergiebedarf auf
41 kWh/m2a. Dafür genügt eine durch
Erdwärme betriebene Wärmepumpe. Ihre
Kollektoren sind mit einer Sole gefüllt, die
bei niedrigem Druck Wärme aufnimmt
und diese bei höheren Temperaturen (und
höherem Druck) wieder abgibt. Die Anla-
ge versorgt so die Warmwasserbereitung
und eine Fußbodenheizung. Die großflä-
chige Wärmeverteilung von unten sorgt
bei den Bewohnern immer für warme
Füße und somit für mehr Behaglichkeit.
Es kommt uns wärmer vor, als es tatsäch-
lich ist. Das ermöglicht eine niedrigere
Raumtemperatur (und damit geringere
Heizkosten) als bei konventionellen Heiz-
verfahren mit Heizkörpern. Die integrierte
Lüftung reduziert über Wärmerückgewin-
nung außerdem Lüftungswärmeverluste
und sorgt zugleich für ein angenehmes
Raumklima.
Strom von Dach und Fassade
Dank Photovoltaikanlagen an der Fassade
und auf dem Dach verfügt das Plusener-
giehaus in Bottrop über ein eigenes
„Kraftwerk“ auf mehr als 205 Quadrat-
metern Fläche. Das vorgehängte Fassa-
densystem von Sto ist an der Südseite der
Immobilie installiert. Die mehr als achtzig
1,2 mal 0,6 Meter großen Photovoltaik-
Panels wurden in die Unterkonstruktion
der Giebelfassade eingehängt und liefern
mit weiteren zehn Solarelementen in
Sonderformaten jährlich zirka 4.000 kWh
Strom. Alle Paneele bestehen
aus einem sehr leichten Solar-
modul, das mit einer Dünn-
schichttechnologie hergestellt
und auf der „StoVentec“-
Trägerplatte aufgeklebt wird.
Außerdem integriert der
Systemaufbau eine effiziente
Wärmedämmschicht. Die Fas-
sade ist also multifunktional:
Sie dämmt, prägt das Gebäude
architektonisch und liefert
Strom.
Die Dachflächen des Sattelda-
ches sind mit dem „Architek-
ten-Dachstein“ Planum der Dachziegel-
werke Nelskamp eingedeckt. Auf seiner
porenarmen Oberfläche „Longlife matt“
finden Flechten, Moos oder Algen kaum
Halt – das Dach bleibt also lange sauber
„wie frisch gedeckt“.
Pro Dachseite sind je 45 monokristalli-
ne Hochleistungs-Photovoltaikmodule
(„1Power“-Anlage mit 270 Wp Leistung
von Nelskamp) angebracht. Die Solar-
elemente erzeugen eine Leistung von
insgesamt 24,30 kWp und erbringen
durchschnittlich einen jährlichen Stromer-
trag von 18.200 kWh.
Insgesamt kommt das Gebäude dadurch
auf einen Stromertrag von etwa 22.200
kWh/a. Rund 2.600 kWh/a hiervon sind
Überschuss, da der Endenergieverbrauch
nur etwa 19.600 kWh/a beträgt.
Smartes Heim
Neben energieeffizienten Großelektro-
geräten kommt in allen Wohnungen
die neueste Hausautomatisierungs-
technik zum Einsatz. Die sogenannte
„SmartHome-Technologie“ ermöglicht
eine zeitgemäße Steuerung nahezu
aller technischen Komponenten von
Elektrogeräten über Heizung bis hin zur
Beleuchtung. Eine zentrale Steuereinheit
verbindet alle Geräte über ein eigenes
Funknetzwerk, sie sind dadurch zentral
anwählbar. Mit der passenden Software
lassen sich die Geräte auch über das
Smartphone oder Tablet-PCs individu-
ell bedienen. So gehört ungewollter
Stromverbrauch, zum Beispiel durch den
Stand-by-Betrieb ungenutzter Geräte,
der Vergangenheit an. Die eingesetzte
SmartHome-Technologie ist modular
einsetzbar und kann dadurch an die
individuellen Bedürfnisse der Bewohner
angepasst werden.
http://www.sto.de
Fotos: Vivawest
NanoMat Newsletter 01 | 2015 11
KIT: SILIZIUMKARBID STEIGERT ENERGIEEFFIZIENZ
KIT-Forscher untersuchen Einsatz von
neuartigen Leistungshalbleiterschaltern in
der Industrie – Bundesforschungsminis-
terium fördert Verbundprojekt mit rund
800.000 Euro
Den Wirkungsgrad der Stromversorgung
in industriellen Prozessen zu erhöhen
und dadurch Energie und CO2 einzuspa-
ren, ist Ziel des neuen Verbundprojekts
„MMPSiC“: Forscher am Lichttechnischen
Institut (LTI) des Karlsruher Instituts für
Technologie (KIT) untersuchen gemein-
sam mit den Industriepartnern TRUMPF
Hüttinger und IXYS Semiconductor den
Einsatz von Leistungshalbleiterschaltern
aus Siliziumkarbid. Das Bundesfor-
schungsministerium fördert das Projekt
mit rund 800.000 Euro.
Von der Halbleiterfertigung über die
Beschichtung von Displays bis hin zu
Prozessen im Automobilbau: Viele
industrielle Verfahren verbrauchen große
Mengen elektrischer Energie. Darunter
sind auch Technologien, die eine wich-
tige Rolle für die Energiewende spielen,
wie das Zonenschmelzverfahren (Float
Zone Verfahren) zum Herstellen von
hochreinen kristallinen Werkstoffen: Die
Substanz wird in einer schmalen Zone
elektrisch geschmolzen; die Schmelzzone
wird nach und nach weitergeführt. Hinter
der Schmelzzone kristallisiert die Subs-
tanz reiner als zuvor. Das Zonenschmelz-
verfahren liefert unter anderem hochreine
Silizium-Einkristalle für die Herstellung
von Solarzellen.
Zur Stromversorgung von Zonenschmelz-
anlagen werden bis jetzt auf Röhrentech-
nologie basierende Systeme eingesetzt,
die einen elektrischen Wirkungsgrad von
maximal 65 Prozent aufweisen. Durch
eine Umstellung auf Leistungshalbleiter
aus Siliziumkarbid ließe sich der Wir-
kungsgrad der Prozessstromversorgun-
gen auf über 80 Prozent steigern. Dies
würde große Mengen an elektrischer
Energie einsparen und Treibhausgas-
emissionen reduzieren. Zum Beispiel
würde sich für eine einzige Float Zone
Großanlage, bestehend aus 20 x 150
kW-Prozessstromversorgungen, bei einer
jährlichen Laufzeit von 4.800 Stunden
eine Einsparung von mehr als 200.000
kWh elektrischer Energie und damit 109
Tonnen CO2 (Umweltbundesamt, Stand
Juli 2013) ergeben.
Die Realisierbarkeit solcher Prozessstrom-
versorgungen untersuchen Forscher am
Lichttechnischen Institut (LTI) des KIT
gemeinsam mit den Partnern TRUMPF
Hüttinger GmbH + Co. KG (Freiburg)
und IXYS Semiconductor GmbH (Lam-
pertheim) im Verbundprojekt „Modulare
Mittelfrequenz-Prozessstromversorgung
mit Siliziumkarbid-Leistungshalbleiter-
schaltern“ (MMPSiC). Als Halbleiterma-
terial bietet Siliziumkarbid verschiedene
Vorteile: Dank der größeren elektroni-
schen Bandlücke ermöglicht es deutlich
höhere Betriebstemperaturen als konven-
tionelle Halbleiter. Leistungselektronik mit
Siliziumkarbid zeichnet sich besonders
durch höhere Energieeffizienz und Kom-
paktheit aus.
„Bei der Stromversorgung von ener-
gieintensiven industriellen Anwendungen
wie dem Zonenschmelzverfahren ist es
erforderlich, mit hohen Frequenzen zu
schalten“, erklärt der Leiter des Projekts,
Dr. Rainer Kling vom LTI des KIT. „Silizi-
umkarbid ist für diese hohen Frequen-
zen noch nicht erprobt; wir betreten
damit Neuland.“ Neben der Prüfung der
Langzeitbeständigkeit gehören auch die
Ansteuerung und das Layout der Schal-
tung zu den Aufgaben der KIT-Forscher
im Verbundprojekt MMPSiC.
Das Bundesministerium für Bildung
und Forschung (BMBF) unterstützt das
Projekt MMPSiC auf der Grundlage des
Programms „Informations- und Kom-
munikationstechnologie 2020“ (IKT
2020) im Rahmen der Fördermaßnahme
„Leistungselektronik zur Energieeffizienz-
steigerung“ (LES 2) mit rund
800.000 Euro. Davon erhält das LTI
des KIT rund 439.000 Euro. Insgesamt
beträgt das Projektvolumen 1,3 Millionen
Euro. Das Verbundprojekt startete 2014
und ist auf drei Jahre angelegt.
http://www.kit.edu
Abbildung der Abschmelzstelle eines Silizium-Einkristall-stabs, der mit dem Zonenschmelzverfahren hergestellt wurde. (Abbildung: TRUMPF Hüttinger)
TU DARMSTADT: GRÜNE CHEMIE TRIFFT NANO
Neues Verfahren zur Herstellung von
Nanoröhren aus Gold
Eine Doktorandin in den Materialwissen-
schaften stellt multifunktional einsetzbare
Nanoröhren aus Gold her – mit Hilfe
von Vitamin C und anderen harmlosen
Substanzen.
Kaffee, Apfelsaft und Vitamin C: Was
andere Leute täglich zu sich nehmen, ist
für die Chemikerin Eva-Maria Felix Experi-
mentiermaterial.
Die Doktorandin in der Arbeitsgrup-
pe von Professor Wolfgang Ensinger,
Fachgebiet Materialanalytik, beschäftigt
sich mit der Herstellung von Nanoröhren
aus Gold. Sie scheidet das Edelmetall
aus einer wässrigen Lösung auf einer
vorbehandelten Folie mit vielen winzigen
Kanälen ab.
NanoMat Newsletter 01 | 2015 12
peratur und ohne äußere Stromzufuhr
abläuft und so Energie spart. Im Gegen-
satz zu anderen Methoden sind zudem
keine teuren Geräte erforderlich. Die Folie
mit den Nanokanälen wird lediglich in
das Abscheidungsbad gelegt.
„Eigentlich unglaublich, dass man mit
wässrigen Lösungen und einfachen
Grundchemikalien so präzise Nanostruk-
turen produzieren kann“, findet Post-
doktorand Münch. „Green meets Nano“
lautet der Leitspruch der TU-Forscher. Das
einzige noch nicht grüne an dem Verfah-
ren sei die als Vorlage verwendeten Folie,
bemerkt Ensinger. Tests mit biobasierten
Kunststoffen stehen zwar schon auf der
Agenda, aber noch bestehen die Folien
aus Polycarbonat, aus dem auch CDs
gefertigt werden, oder aus Polyethylente-
rephthalat, kurz PET, bestens bekannt von
Plastikflaschen für Getränke.
Um die formgebenden Mini-Kunststoff-
kanäle zu erzeugen, wird eine runde
Folie mit einem Durchmesser von fünf
Zentimetern senkrecht mit einem Ionen-
strahl beschossen. Jedes Ion hinterlässt
in der Folie eine geradlinige Spur, die
anschließend zu einem feinen Loch,
mikroskopisch betrachtet zu einem Kanal,
aufgeätzt wird. Dessen Durchmesser lässt
sich exakt einstellen – bis auf deutlich
unter 100 Nanometer.
Die Goldnanoröhren sind daher einige
hundert mal feiner als ein menschliches
Haar. Ihre Wandstärke hängt sowohl von
der Dauer der Abscheidung als auch von
der Goldkonzentration der Ausgangslö-
sung ab. Nach Auflösung der Folie erhält
man – je nach Versuchsbedingung – eine
Ansammlung einzelner Nanoröhren oder
ein Array aus hunderttausenden mitein-
ander verbundenen Röhren.
http://www.tu-darmstadt.de
Erfolgreich im Experimentieren: Professor Wolfgang Ensinger, Doktorandin Eva-Maria Felix, Dr. Falk Münch (v.li.). Bild: Sandra Junker
Elektrochemische Messzelle für Anwendungsversuche der Nanoröhren in der Sensorik. Bild: Sandra Junker
Die Kanäle geben die Form der Nano-
röhren vor; die Folie wird anschließend
aufgelöst. Die Technik an sich ist nicht
neu, doch Felix hat sie modifiziert:
„Die dafür üblicherweise verwendeten
Chemikalien waren mir einfach zu giftig.“
Auf Cyanid und Formaldehyd, auf Arsen-
und Schwermetallsalze wollte sie lieber
verzichten. Ein Fachartikel von Forschern,
denen die Silberabscheidung mit Kaffee
gelungen war, spornte sie an.
Mit Kaffee führte auch Felix ihre ersten
Versuche durch. Doch mit dem dunklen
Gebräu im Laborgefäß konnte sie die
Reaktion nicht beobachten. Als nächstes
testete sie Apfelsaft, dann Vitamin C. Das
erschien ihr am besten geeignet, denn
„bei Kaffee und Apfelsaft weiß man
nie genau, was drin ist“. Vitamin C, im
Fachjargon Ascorbinsäure, hingegen gibt
es in reiner Form im Chemikalienhandel
– die Voraussetzung für reproduzierbare
Studien. Doch was hat das Vitamin mit
der Abscheidung von Gold zu tun? Im
Körper macht Vitamin C freie Radikale
unschädlich, indem es Elektronen auf sie
überträgt.
„Nach demselben Prinzip funktioniert
auch die Goldabscheidung. Nur dass sich
das Vitamin hier keine Radikale schnappt,
sondern Goldionen“, erklärt Falk Münch,
Postdoktorand und Betreuer der Disser-
tation von Felix. Die im Abscheidungsbad
gelösten Goldionen wandeln sich durch
die Elektronenaufnahme in metallisches
Gold um.
„Das ist wirklich grüne Chemie“
Für den Prozess sind noch weitere
Chemikalien erforderlich. Alle sind jetzt
so harmlos, dass Doktorvater Ensinger
sagt: „Ich würde die Lösung des Abschei-
dungsbades trinken. Das ist wirklich grü-
ne Chemie.“ Grün ist das Verfahren aber
nicht nur wegen der ungiftigen Substan-
zen, sondern auch weil es bei Raumtem-
NanoMat Newsletter 01 | 2015 13
UNI DUISBURG-ESSEN: ERSTMALS BEOBACHTET: REAKTIVES MOLEKÜL
Zum ersten Mal ist es Forschern gelun-
gen, ein für die Verbrennung zentrales
Molekül aufzuspüren und dessen Reak-
tivität gegenüber Sauerstoff zu messen.
Dank dieser bahnbrechenden Leistung,
an der Dr. Oliver Welz von der Universität
Duisburg-Essen (UDE) beteiligt ist, kön-
nen nun Verbrennungsprozesse besser
vorhergesagt werden. Die Entdeckung
ermöglicht u.a. sauberere und effizientere
Kraftfahrzeuge. Die Ergebnisse wurden
kürzlich in der renommierten Fachzeit-
schrift „Science“ veröffentlicht.
Entdeckt und erstmals nachgewiesen
haben die Forscher Hydroperoxyalkyl-
Radikale, die außerordentlich schwer zu
beobachten sind. Radikale sind für eine
Verbrennung unverzichtbar: Sie initiieren
sie und halten sie aufrecht. Andererseits
laufen bei einer Verbrennung zigtausend
chemische Reaktionen nahezu gleich-
zeitig ab. In diesem Umfeld Radikale
zu identifizieren ist auch deshalb sehr
schwer, weil sie sehr schnell reagieren
und dabei neue chemische Bindungen
eingehen. Dennoch sind viele Aspekte
der Verbrennung bereits gut untersucht.
Offene Fragestellungen betreffen vor
allem die Zündung und die chemischen
Reaktionen, die darüber entscheiden, ob
und wie schnell sich ein Brennstoff-Luft-
Gemisch entzündet.
Oliver Welz: „Dank der Vorarbeiten
wussten wir bereits, dass Hydroperoxy-
alkyl-Radikale zentral sind im komplexen
Netzwerk der Zündreaktionen. Das zeigte
sich nämlich schon in den Reaktionspro-
dukten der Zündchemie.“ Zusammen mit
Kollegen an den Sandia National Labora-
tories in Livermore (USA) gelang ihm nun
erstmals die Entdeckung eines solchen
Radikals. „Wir probierten verschiedene
Ideen aus, hatten aber zunächst keinen
Erfolg“, so Oliver Welz. „Diese Spezies
ist wirklich extrem reaktiv und kurzlebig.
Entscheidend ist die Wahl des geeigneten
Brennstoffmoleküls.“ Die richtige Idee
hatte der Sandia-Kollege Dr. John Savee.
Er schlug vor, 1,3-Cycloheptadien zu
verwenden, ein Ringmolekül mit sieben
Kohlenstoffatomen.
Für die Überprüfung nutzte das Forscher-
team ein Multiplex-Photoionisierungs-
Massenspektrometer (MPIMS). Der
direkte Nachweis des spektralen Finger-
abdrucks gelang dann am Advanced
Light Source-Synchrotron in Berkeley,
USA, dank der intensiven durchstimm-
baren Synchrotronstrahlung. Gestützt
wurde diese Beobachtung durch quan-
tenmechanische Rechnungen. Welz: „In-
teressant ist, dass das jetzt aufgespürte
Radikal eine ungewöhnlich lange Lebens-
dauer hat und deutlich langsamer mit
Sauerstoff reagiert als ursprünglich an-
genommen. Nun muss herausgefunden
werden, wie sich dies auf die technische
Weiterentwicklung von Verbrennungspro-
zessen auswirkt.“
Oliver Welz ist begeistert, denn seinem
Forscherteam war bereits 2012 und 2013
der direkte Nachweis von Criegee-Inter-
mediaten gelungen, einer anderen Klasse
an reaktiven Molekülen: „Teil dieser For-
schergruppe zu sein, dem der Nachweis
von gleich zwei Schlüsselintermediaten
gelingt, ist für mich unbeschreiblich.“
https://www.uni-due.de
UNI DUISBURG-ESSEN: ZUSÄTZE ENTSCHEIDEND
Das Smartphone als Gesundheitsmonitor,
3D-Druck für Jedermann oder energie-
effizientere Autos: Photonische Produk-
tionsabläufe werden immer wichtiger.
Umso erstaunlicher, dass sich viele der
verwendeten Materialien kaum für die
Laseranwendung eignen oder dafür
optimiert sind. Wie Materialien für die
photonische Prozessierbarkeit besser ad-
aptiert werden können, zeigt eine Studie
unter der Leitung von Dr. Bilal Gökce von
der Universität Duisburg-Essen (UDE). Der
viel versprechende Lösungsansatz wurde
jetzt in der führenden Fachzeitschrift für
Optische Technologien abgedruckt.
Das Herstellen individueller und kom-
plexer Produkte, nur einen Knopfdruck
entfernt – möglich ist dies durch die
geschickte Verkettung photonischer
Fertigungsprozesse. Hier sind Design,
Konstruktion, Materialauswahl und
Produktionsabläufe als ein ganzheitli-
ches System auf die optische Fertigung
ausgerichtet. Damit soll der zunehmen-
den Bauteilkomplexität durch individuelle
Produkte zu marktfähig hergestellten
Preisen begegnet werden. Gökce: „Meist
bleibt es jedoch beim Wunschdenken,
denn das enorme Potenzial photonischer
Fertigungsverfahren wurde bisher nicht
ausgeschöpft.“
Der Grund: viele verfügbare Materialien
sind noch unzulänglich für die heutzuta-
ge geforderten Bearbeitungsaufgaben.
Eine bundesweite Wissenschaftlergruppe
zeigt nun auf, wie Materialien an die zu-
nehmend verbreiteten photonischen Pro-
duktionsprozesse und spezifischen Wech-
selwirkungen angepasst werden können.
Lasergestützte Verfahren gehören zu den
wichtigsten Produktionsverfahren der
Zukunft, sowohl wegen ihres Durchsatzes
als auch wegen ihrer Präzision. „Vor-
aussetzung ist, dass Metalle, Polymere
und deren Kompositmaterialien gezielt
verändert werden. Zumindest kann es sie
wesentlich verbessern“, davon ist Prof.
Dr.-Ing. Stephan Barcikowski vom Center
for Nanointegration Duisburg-Essen
(CENIDE) überzeugt. Einen Lösungsansatz
sieht Dr. Gökce in der generativen Ferti-
gung: Hierbei werden meistens pulver-
förmige oder seltener auch drahtförmige
Zusatzwerkstoffe verwendet. Betrachtet
man alle relevanten Prozessparameter
NanoMat Newsletter 01 | 2015 14
Materialien. Attraktiv ist der Ansatz auch
deshalb, weil eine hohe Bandbreite kom-
merzieller Rohpulver verwendet werden
kann.“
Auch verzweigte Makromoleküle schei-
nen für photonische Prozesse attraktiv:
Neue Werkstoffe mit geeigneten Funkti-
onseigenschaften wie optische Lichtleiter,
leitfähige Materialien oder Biohybrid-
materialien können in mikroskaligen
Bauteilen die Bandbreite der Anwendung
erweitern. Für das selektive Laserschmel-
zen von funktionalen Polymer-Nanokom-
positen bieten Nano-Füllstoffe dabei die
Möglichkeit, die Bauteileigenschaften
und die thermische Stabilität der polyme-
ren Ausgangstoffe zu verbessern. Zudem
können Funktionen wie Leitfähigkeit, ma-
gnetische oder auch bestimmte optische
Eigenschaften in das polymere Material
eingebracht werden.
Ein hohes Potenzial bietet auch hier
bietet die Nutzung von verzweigten Poly-
merarchitekturen als Additive und Blend-
komponenten zur Fließverbesserung,
thermischen Stabilisierung und verbes-
serten Wechselwirkung mit nanoskaligen
Füllstoffen. Neuartige Materialien führen
deshalb zu besonderen Funktionalitäten
des Endprodukts in laserbasierten Produk-
tionsverfahren. Die vollständig beschrie-
benen Lösungsansätze mit Beiträgen
aus den Universitäten Aachen, Bremen,
Bochum, Dresden und Hannover sind
nachzulesen in: Photonik – Fachzeitschrift
für Optische Technologien, 1.2015, 47,
24–28 (2015). Photonik ist die auflagen-
stärkste deutschsprachige Fachzeitschrift
für Optische Technologien.
https://www.uni-due.de
eines generativen Fertigungsprozesses,
so ist der Zusatzwerkstoff der wichtigste
Prozessparameter. Der Anwender kann
ihn nur im Rahmen der marktverfügba-
ren Lösungen beeinflussen. Er ist jedoch
ausschlaggebend für die Eigenschaften
und Qualität des generativ gefertigten
Bauteils.
Ein eher einfacher aber wirksamer Ansatz
zur Anpassung von verschiedenen Materi-
alklassen an die photonische Bearbeitung
ist das Additivieren mit Nanopartikeln.
Für pulverförmige Ausgangsmaterialien
kann dies durch Mischen von Mikropul-
vern mit flüssigen Nanopartikel-Suspen-
sionen erreicht werden. Beispiele zeigen,
dass Metalle, Keramiken und Polymere
für zugesetzte Nanopartikel zugänglich
sind. Gökce: „Hier ist ein großes Potential
für die verbesserte Prozessierbarkeit von
Mirijam Zobel und Prof. Dr. Reinhard Neder während des Experiments an der European Synchroton Research Facility in Grenoble. (Bild: FAU), 16. Januar 2015
FAU: WIE NANOPARTIKEL INTERNE STRUKTUR VON FLÜSSIGKEITEN UMORDNEN
FAU-Wissenschaftler weisen nach, wie
sich Flüssigkeiten an der Oberfläche eines
Nanopartikels verändern
Fast unbemerkt sind sie Teil unseres
täglichen Lebens geworden: Nanopartikel
führen in Kosmetika, Nahrungsmitteln
und Medikamenten, aber auch in Kata-
lysatoren zu besonderen Eigenschaften
der Produkte. In den meisten Anwen-
dungsgebieten werden die Nanopartikel
in Flüssigkeiten aufgelöst, denn viele ihrer
Eigenschaften entstehen an den Grenz-
flächen. Bisher konnten Wissenschaftler
jedoch nur theoretisch modellieren, ob
und wie sich die interne Struktur einer
Flüssigkeit an der Oberfläche eines Nano-
partikels verändert. Physikern der FAU ist
nun erstmals der experimentelle Nach-
weis gelungen. Ihre Ergebnisse haben
sie jetzt in dem renommierten Wissen-
schaftsjournal Science* veröffentlicht.
Flüssigkeiten wie Wasser oder Alkohole
besitzen eine interne Struktur: Sauerstoff-
elemente wechselwirken mit Wasserstoff-
atomen, wodurch sich Strukturen wie
beispielsweise Ringmotive oder Ketten
innerhalb der Flüssigkeit bilden. Diese
Struktur bricht in der Nähe von glatten
Oberflächen – wie beispielsweise Gefäß-
wänden – auf. Für Nanopartikel sagten
Wissenschaftler eine ähnliche Verhal-
tensweise voraus, es fehlte bisher jedoch
der experimentelle Nachweis. Den haben
nun die FAU-Wissenschaftler Prof. Dr.
Reinhard Neder und Mirijam Zobel von
der Professur für Allgemeine Mineralogie/
Kristallographie geliefert.
Für den Nachweis benutzen die FAU-Wis-
senschaftler die Pair Distribution Function
(PDF; deutsch: Paarverteilungsfunktion).
Da weltweit nur wenige Geräte die prä-
zisen PDF-Messungen erlauben, reisten
die FAU-Wissenschaftler zur European
Synchroton Radiation Facility ins fran-
zösische Grenoble. Dort bestrahlten die
Wissenschaftler die Proben – eine Vielzahl
selbst hergestellter und käuflich erwor-
bener Nanopartikel wie beispielsweise
Zinkoxid oder Silber aufgelöst in verschie-
denen Lösungsmitteln – mit hochener-
getischen Röntgenstrahlen. Die Strahlen
erzeugten ein Röntgenbild sobald sie
auf die Elektronen des Nanopartikels
und des Lösungsmittels treffen. Mithil-
fe dieser Aufnahme berechneten die
Wissenschaftler, wie weit die einzelnen
Atome voneinander entfernt sind – und
wiesen so nach, dass sich die Moleküle
an der Grenzfläche von Nanopartikel und
Flüssigkeit neu ordnen. Diese Umordnung
ist direkt an der Grenzfläche am stärksten
und erstreckt sich über etwa fünf Mole-
külschichten, bis weiter von der Grenz-
fläche entfernt wieder die Eigenschaften
der reinen Flüssigkeiten angenommen
werden. „Wir erwarten, dass unsere
allgemeingültigen Ergebnisse die Model-
lierung von chemischen Reaktionen an
Oberflächen maßgeblich beeinflussen“,
erklärt Mirijam Zobel.
https://www.fau.de
NanoMat Newsletter 01 | 2015 15
UNI STUTTGART: SCHADSTOFFE AUS PHOTO- VOLTAIK-MODULEN
Solarenergie aus Photovoltaikanlagen gilt
eigentlich als umweltfreundlich. Doch die
meisten Photovoltaik-Module enthalten
Schadstoffe, darunter Cadmium und Blei.
Diese können bei der Entsorgung in den
Boden oder das Grundwasser gelangen.
Wissenschaftler der Universität Stuttgart
untersuchen nun, auf welchen Wegen
die Gifte austreten und wie dies verhin-
dert werden kann.
Als grünes Nischenprodukt gestartet, ist
die Photovoltaik mittlerweile zu einem
Weltmarkt gewachsen. Weltweit sind
mehr als 17 Millionen Tonnen an Mo-
dulen mit einer Leistung von etwa 140
Gigawatt installiert. Die Nutzungsdauer
heutiger Photovoltaik-Module wird auf
20 bis 25 Jahre geschätzt. Das klingt zwar
lang, aber dennoch ist diese Zeitspanne
begrenzt. Es stellt sich also die Frage, was
mit den Modulen nach ihrer Nutzung
passiert. Leider enthalten die meisten
Module Schadstoffe – ohne,
dass dafür eine technische
Notwendigkeit besteht.
So werden in allen Modul-
technologien Lötbändchen
verwendet, die im Lötzinn das
Schwermetall Blei enthalten.
Den Großteil an Lötbändchen
verbrauchen die Module aus
kristallinem Silizium durch die
Zell-zu-Zell-Verbindungen. Auch
in der Dünnschicht-Technologie
kommen die Lötbändchen zum
Einsatz, um die Modulbox mit
den Zellen zu verbinden. Welt-
weit verkaufen nur ganz wenige Firmen
bleifreie Photovoltaikmodule.
Neben Blei kommen noch andere Schad-
stoffe vor, darunter Cadmiumsulfid, das
in der Dünnschicht-Technologie mit Zellen
aus Kupferindiumgallium-Diselenid oft
als Pufferschicht zum Einsatz kommt. Bei
Cadmiumtellurid-Modulen besteht sogar
das aktive Zellmaterial selbst aus Schad-
stoffen. Nur Module aus amorphem Silizi-
um sind schadstofffrei, solange sie keine
bleihaltigen Lötbändchen verwenden. Im
Gegensatz zu sonstigen elektrischen oder
elektronischen Produkten sind Cadmium
und Blei ausgerechnet in Photovoltaikmo-
dulen bisher innerhalb der Europäischen
Union nicht verboten.
Vor diesem Hintergrund werden Wissen-
schaftlerinnen und Wissenschaftler der
Institute für Photovoltaik (ipv) und für
Siedlungswasserbau, Wassergüte- und
Abfallwirtschaft (ISWA) der Universität
Stuttgart gemeinsam untersuchen, auf
welchen Wegen die Schadstoffe aus
den Modulen austreten können und
Schwachstellen identifizieren Ihr Ziel ist
es, die Mechanismen der Schadstofffrei-
setzung so gut zu verstehen, dass das
Austreten in Zukunft verhindert oder
verlangsamt werden kann – zumin-
dest, so lange Blei und Cadmium auch
weiterhin eingesetzt werden. Das Projekt
mit dem Namen „Schadstofffreisetzung
aus Photovoltaik-Modulen, kurz PV
Schadstoffe) wird vom Bundesministeri-
um für Wirtschaft und Energie mit rund
800.000Euro gefördert.
Bereits in einer vorausgegangenen
Worst-Case-Studie für das Ministerium
für Umwelt, Klima und Energiewirtschaft
Baden-Württemberg haben die beiden
Institute gemeinsam gezeigt, dass die
Schadstoffe austreten können, wenn
die Module nicht mehr intakt sind und
über die Defekte wässrige Lösungen in
das Modul eindringen. Um das Auslau-
gen zu quantifizieren, untersuchen die
Wissenschaftlerinnen und Wissenschaft-
ler Modulstücke in wässrigen Lösungen
mit unterschiedlichen pH-Werten, die
unterschiedliche Umweltbedingungen
simulieren.
http://www.uni-stuttgart.de
Kante eines Photovoltaik-Moduls aus kristallinen Silizium-Solarzellen. Die Lötbändchen, mit denen die Zellen untereinander verschaltet sind, enthal-ten Blei. Foto: Universität Stuttgart
UNI ULM: ERSTER CHEMIEBAUKASTEN DER UNI ULM ZUR NANOTECHNOLOGIE AUF DEM MARKT
Sie stecken in Zahncreme, Solarzellen
und sorgen für den berühmten „Lotus-
effekt“. Nanopartikel sind für unsere
Augen unsichtbare Alleskönner, die bei
Verbrauchern aber auch Ängste wecken.
Auf eine völlig ungefährliche Reise in die
Nanowelt können sich Schülerinnen und
Schüler mit dem Chemiekoffer der Uni
Ulm begeben. Über mehrere Jahre haben
Chemiker um Professor Ulrich Ziener und
Lehramtsstudierende den „Baukasten“
in enger Zusammenarbeit mit Schulen
zusammengestellt. „Die Wahl fiel auf
Nanotechnologie, weil sich viele Schüler
für dieses Thema interessieren, es aber
nicht auf dem Lehrplan steht“, erklärt
Ulrich Ziener, der am Institut für Organi-
sche Chemie III zu den winzigen Teilchen
forscht.
Mit dem Kofferinhalt lassen sich alle
Experimente aus dem mitgelieferten
Handbuch in einem üblichen Chemie-
raum durchführen. Zielgruppe sind
NanoMat Newsletter 01 | 2015 16
Prof. Ulrich Ziener (links) mit dem Nanotechnologie-Koffer
Kinder und Jugendliche an weiterführen-
den Schulen von der fünften Klasse bis
zum Abschluss, weshalb sich die Versu-
che im Schwierigkeitsgrad stark unter-
scheiden. Die jüngsten Forscher lernen
zum Beispiel den Lotuseffekt kennen,
indem sie ein speziell beschichtetes,
schmutzabweisendes Glas mit einem Glas
ohne Nanopartikel vergleichen. Fortge-
schrittene Nachwuchsforscher können
Flüssigkristalle herstellen, die ihre Farbe
bei Druck oder Wärmeeinwirkung ändern
und etwa in Flachbildschirmen verwendet
werden. Oder sie basteln sich ihr eigenes
„Reaktionsdurchschreibpapier“ – bekannt
Ulm die Verantwortung für das Produkt
trägt, mussten zunächst etliche juristische
Fragen geklärt werden. Nach etlichen
Tests – unter anderem im Advanced
Science Camp für Siebt- und Achtklässler
an der Uni Ulm – kann der Koffer nun für
390 Euro netto von Schulen erworben
werden. Hersteller ist die Firma Hedinger,
ein Spezialist für Lehrmittel. Die Entwick-
lung des Baukastens wurde übrigens von
der Robert Bosch-Stiftung unterstützt.
„Von Lehrern, die unsere Experimente
bereits durchgeführt haben, erhalten wir
positive Rückmeldungen“, sagt Ziener,
der den Koffer kontinuierlich weiterent-
wickeln möchte.
Wie man Kinder und Jugendliche für
Chemie begeistert, wissen die Forscher
des Instituts für Organische Chemie III
aus ihrem eigenen Schülerlabor. Einmal
in der Woche können Schulklassen das
Labor unter fachkundiger Aufsicht besu-
chen und sich an kleinen Experimenten
versuchen. Dabei wird früher oder später
sicher auch der Chemiekoffer zum Einsatz
kommen.
http://www.uni-ulm.de
von alten Überweisungsformularen.
„Dabei bestreichen die Jugendlichen ein
Blatt mit den winzigen Kapseln, legen
ein weiteres Blatt darauf und bringen
die Kapseln per Stiftdruck zum Platzen“,
beschreibt Ulrich Ziener. Den theoreti-
schen Hintergrund dieser alltagsnahen
Experimente können Lehrer und Schüler
im Handbuch zum Koffer nachlesen.
Vom Pappkoffer zum Nanotechnolo-
gieset
Von der Idee über einen ersten Pappkof-
fer bis zum fertigen Chemiebaukasten
war es ein weiter Weg. Da die Universität
UNI ULM: BIOLOGISCHE NANOPARTIKEL IM DIENST DER MEDIZIN
EM-Aufnahme von Amyloid-Oligomeren.
Bisher haben Amyloid-Proteinkomplexe
vor allem als mutmaßliche Alzheimer-
diese Ergebnisse nun in der einschlägigen
Nano-Technologie-Zeitschrift ACS Nano
(IF 12).
Die Wissenschaftler fanden mit höchstau-
flösenden spektroskopischen Verfahren
Erstaunliches zur molekularen Form und
Struktur von sogenannten Amyloid-Oligo-
meren. „Im Vergleich zu den faserartigen
Amyloid-Fibrillen sind Amyloid-Oligomere
mit einer Größe zwischen 15 und 30
Nanometern kleiner und viel kompak-
ter, und können besser in ein Gewebe
eindringen. Die Proteinkomplexe haben
zudem eine rundliche Form und sind
Auslöser eher unliebsame Bekanntheit
erlangt. Biochemiker und Molekularbio-
logen aus Ulm und Jena haben nun ent-
deckt, dass sich diese Komplexe aufgrund
ihrer Molekülstruktur aber auch nützlich
machen können. „Wir haben Amyloid-
Proteinkomplexe auf ihre biochemischen
und physikalischen Eigenschaften hin
untersucht und sind dabei auf ganz
besondere, biophysiologisch relevante
Moleküleigenschaften gestoßen, die
eine medizinische Nutzung nahe legen“,
so Professor Marcus Fändrich, Leiter
des Instituts für Biotechnologie an der
Universität Ulm. Veröffentlicht wurden
NanoMat Newsletter 01 | 2015 17
erklärt Professor Thomas Simmet, Leiter
des Instituts für Naturheilkunde und
Klinische Pharmakologie an der Universi-
tät Ulm.
Amyloid-Oligomere können gut
hergestellt werden und sind biokom-
patibel
Außerdem gibt es vielversprechende
biotechnologische Aspekte: Nanopartikel
wie diese Amyloid-Oligomere können
leicht und in beliebigen Mengen im
Labor - also in vitro - hergestellt werden,
und es ist möglich, sie chemisch gezielt
zu modifizieren, um sie pharmakologisch
zu funktionalisieren. Und was mögliche
aufgrund ihrer quasi-kristallinen Struktur
im Kern dicht gepackt“, erläutert Dr.
Matthias Görlach, Leiter der Biomoleku-
laren NMR-Spektroskopie am Leibniz-Ins-
titut für Altersforschung - Fritz-Lipmann-
Institut Jena (FLI). „An der Oberfläche
hingegen geht es dynamischer zu. So
konnten wir mehrfach beobachten, dass
die Proteinkomplexe Untereinheiten
ausgetauscht haben“, ergänzt Erstautor
Senthil T. Kumar. Der Doktorand aus der
Gruppe Fändrich weiter: „Als biologi-
sche Nanopartikel könnten diese damit
beispielsweise eingesetzt werden, um
pharmakologische Wirkstoffe kontrolliert
und gezielt abzugeben.“
Den Wissenschaftlern gelang zudem
der Nachweis, dass sich mit diesen
Oligomeren bestimmte Zellpopulationen
gezielt ansteuern lassen. Hierfür wurden
Nanopartikel aus magnetisiertem Eisen-
oxid mit Amyloid-Oligomeren dekoriert,
die von Makrophagen - den Fresszellen
des Immunsystems - besonders stark
aufgenommen werden. „Man könnte
diese besonderen Proteinkomplexe in der
medizinischen Bildgebung einsetzen, um
krankheitsbedingte Ansammlungen von
Makrophagen sichtbar zu machen, wie
sie beispielsweise bei atherosklerotischen
Plaques in den Blutgefäßen vorkommen“,
Risiken und Gesundheitsgefahren angeht,
glauben sich die Wissenschaftler nach
bisherigen Erkenntnissen auf der sicheren
Seite. Anders als herkömmliche Nano-
Partikel sind Amyloid-Oligomere poten-
tiell bio-kompatibel, weil sie mit Hilfe
natürlicher Enzyme abgebaut werden
können. „Diese Proteinkomplexe sind
nicht automatisch toxisch, weil sie wie bei
Alzheimer an bestimmten Fehlbildungs-
prozessen bei der Proteinfaltung beteiligt
sind. Es sind ganz bestimmte Amyloid-
Oligomere, die für den Organismus
gefährlich sind. Und selbstverständlich
sollte man diese nicht für biologische
Anwendungen einsetzen“, so der Ulmer
Alzheimer-Forscher und Amyloid-Experte
Fändrich. Als biologische Nano-Partikel
könnten Amyloid-Oligomere also dem
Menschen durchaus von Nutzen sein - ob
als medizinische Wirkstofftransporter
oder als Biomarker. Sie sind auf jeden Fall
mehr als nur Krankheitserreger.
Beteiligt an diesem Forschungsprojekt
waren Wissenschaftler der Universität
Ulm, des Fritz-Lipmann-Instituts Jena (FLI)
sowie vom Leibniz-Institut für Naturstoff-
Forschung und Infektionsbiologie -
Hans-Knöll-Institut Jena -
HKI (PD Dr. Uwe Horn).
http://www.uni-ulm.de
FRAUNHOFER ICT: VERBESSERTE SICHERHEIT VON LITHIUM-IONEN-AKKUS DURCH GEZIELTE ANALYTIK
Die Sicherheit von Li-Ionen-Akkus zu ver-
bessern, haben sich die Wissenschaftler
des Fraunhofer ICT zum Ziel gemacht. Ein
wichtiges Werkzeug dazu sind Sicher-
heitstests. Aber erst die Kombination
mit einer ausgefeilten Analytik der bei
Missbrauchsversuchen aus Li-Ionen-Akkus
freigesetzten Gase liefert die zielführen-
den Detailinformationen für die Ausle-
gung von Batteriepacks.
In zunehmendem Maße werden wie-
deraufladbare Lithium-Ionen-Akkus
(Li-Ionen) in allen Bereichen des tägli-
chen Lebens verwendet. Findet man sie
schon seit einigen Jahren in kabellosen
Handwerker-Geräten wie Bohrhammer,
Akkuschrauber, usw. dringen Li-Ionen-
Akkus nun immer weiter in alle Bereiche
vor, in denen bislang Nickel-Cadmium-
(NiCd) oder Nickel-Metallhydrid-Akkus
(NiMH) verwendet werden. Auch als
stationäre Energie-Zwischenspeicher ge-
winnen Lithium-Ionen-Akkus zunehmend
an Bedeutung. Drei Aspekte machen den
Einsatz von Li-Ionen-Akkus attraktiv:
• ihre hohe Energiedichte
• kein nennenswerter Memory-Effekt
• ihre niedrige Selbst-Entladerate
Während die letzten beiden Punkte v.
a. den Anwender freuen, ermöglicht
die hohe Energiedichte erst die lange
kabellose Laufzeit von Mobilfunktelefo-
nen, Laptops und anderen elektronischen
Konsumgütern, bei vergleichsweise
geringen Abmessungen des Akkus. Be-
sonders aber die Elektromobilität in Form
von Elektroautos oder Elektrofahrrädern
benötigt diese hohen Energiedichten,
um bei minimalen Einbauvolumina der
Batterie eine ausreichend hohe Reichwei-
te zu erzielen. Gegenüber den üblichen
Konsumenten-Geräten ist hier aber ein
Mehrfaches an Akkuzellen in einem
NanoMat Newsletter 01 | 2015 18
konnte am Fraunhofer Institut für Che-
mische Technologie (Fraunhofer ICT) ein
Batterie-Testgebäude errichtet werden,
dass neben sehr variablen Testaufbauten
für Batteriesicherheitstests im Besonderen
über eine einzigartige, dedizierte Analytik
der bei Sicherheitstests freigesetzten bzw.
entstehenden Gase verfügt. Dadurch
können z. B. wichtige Informationen zur
Entwicklung und Auswahl von (Früh-)
Warnsensoren erhalten werden, die den
Nutzer rechtzeitig vor Gefahren wie
Gasfreisetzung oder Brand von Li-Ionen-
Akkus warnen können. Dazu können die
verschiedenen Stufen der Batteriesicher-
heit von der Zellebene über Batterie-Mo-
dule bis hin zu ganzen Batteriepacks mit
ihrem Batteriemanagementsystem (BMS)
untersucht werden. Ebenso können
vergleichende Tests durchgeführt werden,
um z. B. die Fortschritte im Bereich
Elektrolyt, Separator oder Elektrodenma-
terialien in Bezug auf Sicherheitsaspekte
aufzeigen zu können.
Schon einige renommierte Firmen haben
vor Markteinführung von Li-Ionen-
Akkus in ihre Produkte die Ingenieure
und Wissenschaftler des Fraunhofer ICT
den schlimmsten anzunehmenden Fall
(worst-case) und deren Folgen testen
lassen. Dies spricht für ihre besondere
Verantwortung gegenüber ihrem Markt-
segment: Ein einziges in Verruf geratenes
- mit Li-Ionen-Akku betriebenes - Endpro-
dukt kann das gesamte Marktsegment
schädigen. Ein gutes Beispiel sind die
wenigen Brände von Elektroautos, die
ein weites Echo in der Presse und sogar
einen Rückgang des Aktienkurses eines
betroffenen Fahrzeugherstellers ausge-
löst haben. Die tagtäglichen Brände von
Autos mit Verbrennungsmotor hinge-
gen werden nicht beachtet. Dass diese
Analytik nicht nur auf das Fraunhofer ICT
örtlich beschränkt ist, konnte bereits bei
zwei Crashtests mit Elektrofahrzeugen in
Zusammenarbeit mit der Bundesanstalt
für Straßenwesen (bast) gezeigt werden.
Durch die mobile und trotzdem sehr
sensible Analytik konnte nach den Crashs
„grünes Licht“ für die Feuerwehr gege-
ben werden, da keinerlei entzündliche
oder giftige Gase ausgetreten sind und in
beiden Fällen die Batterie des Elektrofahr-
zeugs unversehrt blieb.
Da das Fraunhofer ICT selber an Batte-
riesystemen forscht und auch ein reger
Informationsaustausch über die Batterie-
Allianz der Fraunhofer Gesellschaft
stattfindet, kennen die Wissenschaftler
auch schon die Anforderungen an die
Sicherheitstests der Batteriesysteme von
morgen und übermorgen.
http://www.ict.fraunhofer.de
Batterie-Testgebäude am Fraunhofer ICT© Fraunhofer ICT
Dokumentation des thermischen Durchgehens einer Li-Ionen-Zelle© Fraunhofer ICT
Batteriepack verbaut. Mit zunehmender
Anzahl der Zellen steigt neben dem Aus-
fallrisiko vor allem das Unfallrisiko bzw.
dessen Schwere. Die Sicherheitsforschung
an Li-Ionen-Zellen hat daher durch den
Bereich der Elektromobilität einen beson-
deren Schub erfahren. In diesem Rahmen
FRAUNHOFER IFAM: RÜCKSTANDSFREIE BAUTEILENTFORMUNG DURCH PERMANENTE WERKZEUGBESCHICHTUNG
Kunststoffteile werden täglich millio-
nenfach in einer Werkzeugform herge-
stellt. Das Aufbringen eines Trennmittels
verhindert bei diesem Fertigungsprozess
ein Verkleben des Bauteils mit der Form
– eine aufwendige und kostenintensive
Methode. Eine sichere und vor allem
trennmittelfreie Entformung ermöglichen
Technologien aus dem Fraunhofer IFAM.
Das sogenannte ReleasePLAS® -Trenn-
schichtsystem wurde für die Kunststoff-
verarbeitung entwickelt und kann an
ganz unterschiedliche Anforderungen
der Materialien, Verarbeitungsmethoden
und Bauteilgeometrien angepasst wer-
den. Eine größere Herausforderung war
bislang die trennmittelfreie Fertigung von
Polyurethan-Kunststoffen – kurz PUR. In
einem industriellen Gemeinschaftsprojekt
konnten Wissenschaftler nun durch eine
Anpassung der PUR-Rezeptur deutlich
niedrigere Entformungskräfte erzielen
und eine Produktion ohne Trennmittel
ermöglichen.
Da ausreagierende Polyurethane eine
hohe Haftungsneigung zu metallischen
Oberflächen entwickeln, werden in der
diskontinuierlichen Verarbeitung Trenn-
mittel eingesetzt, um einen prozesssiche-
ren Verfahrensablauf zu gewährleisten. In
der industriellen Praxis werden dabei in-
terne und externe Trennmittel verwendet,
die jedoch von einem Trennmittelübertrag
auf die Werkzeug- bzw. Bauteiloberfläche
begleitet werden. In der Folge entstehen
zusätzliche Arbeitsschritte und Kosten. So
müssen die PUR-Bauteile z. B. aufwendig
von Trennmittelrückständen gereinigt
werden, um ein anschließendes Lackieren
NanoMat Newsletter 01 | 2015 19
PUR wird von einer permanent beschichteten, nanostrukturierten Metalloberfläche sauber abgelöst. Durch die Nanostruktur kommt es im Bild zur Lichtbeugung und damit zur Farbgebung.© Fraunhofer IFAM/Wolfgang Hielscher
oder Verkleben zu ermöglichen. Darüber
hinaus reichern sich die Trennmittel im
Laufe mehrerer Entformungszyklen auf
der Werkzeugoberfläche an und bilden
Ablagerungen, was zu einer schlechteren
Abformgenauigkeit führt.
Industrie und Wissenschaft verfolgen des-
halb konsequent das Ziel, eine dauerhafte
und trennmittelfreie Fertigung – auch für
Polyurethane – zu realisieren. Bei dem
vom Fraunhofer-Institut für Fertigungs-
technik und Angewandte Materialfor-
schung IFAM in Bremen entwickelten
ReleasePLAS®-Trennschichtsystem wird
die Beschichtung direkt auf die Form auf-
getragen. Sie bildet dabei Oberflächen-
strukturen perfekt ab und kann in ihrem
Eigenschaftsprofil unterschiedlichen
Anforderungen angepasst werden. Die
stark hydrophob und abweisend wirken-
de plasmapolymere Schicht besteht aus
einem siliziumorganischen Netzwerk und
hat sich für viele Kunststoffarten und
Fertigungstechniken bewährt.
Polyurethane reagieren anders
In der Polyurethan-Verarbeitung bieten
permanente Trennschichten bisher nicht
die gewünschten Vorteile gegenüber
konventionellen Trennmitteln. In der Re-
gel besteht keine ausreichende Langzeit-
stabilität der Trennwirkung, sodass auch
hier kostenintensive Reinigungen und
Wiederbeschichtungen notwendig sind.
Zum Trennverhalten reaktiver Polyure-
thane auf permanenten Trennschichten
konnte bislang nachgewiesen werden,
dass die Entformungseigenschaften in
Abhängigkeit vom verwendeten PUR-
System stark variieren. Das Versagen der
Trennwirkung wird dabei durch Ablage-
rungen auf der Trennschichtoberfläche
verursacht, die im Laufe weniger Entfor-
mungszyklen entstehen und zu einem
Anstieg der Haftkräfte führen.
Durch aufwendige chemische und phy-
sikalische Analysen sowie oberflächen-
technische Untersuchungen konnten die
Fraunhofer IFAM-Forscher nun den Grund
für das Versagen des Trennmechanismus
herausfinden: Neben dem angestrebten
Adhäsionsbruch zwischen Bauteil und
Werkzeugoberfläche kommt es auch
zu einem Kohäsionsbruch in der ober-
flächennahen Grenzschicht des Bauteils
(Interphase). Diese zum Zeitpunkt der
Entformung nicht ausreichend stabile
Interphase des PUR bewirkt, dass nano-
feine Ablagerungen auf der Oberfläche
des Werkzeugs verbleiben.
Um derartige Materialübertragungsme-
chanismen zu unterbinden, und somit
einen vollständigen Adhäsionsbruch
zur Trennschicht zu erzeugen, wurden
alle Parameter zur Interphasenstabilität
untersucht. Eine weitere Forschungs-
aufgabe war die Identifikation von
Stabilisatoren – beispielsweise oberflä-
chenaktive Additive.
Entwicklung trennfreundlicher PUR-
Formulierungen mit stabiler Inter-
phase
Um die Zusammenhänge bei der Inter-
phasenbildung zu verstehen und diese
gezielt zu beeinflussen wurden zwei
verschiedene, sich ergänzende Lösungs-
strategien verfolgt: Zum einen wurde
der Einfluss der PUR-Rezeptur auf die
Interphase analysiert, wobei systematisch
verschiedene Inhaltsstoffe, wie Polyol,
Isocyanat und der Katalysator verändert
wurden. Zum anderen wurde die Inter-
phase des sich bildenden PUR-Bauteils
durch grenzflächenaktive Additive
modifiziert und zusätzlich der Einfluss
der Masse- und Formtemperatur auf die
Fertigungsrandbedingungen untersucht.
Unter praxisnahen Verarbeitungsbedin-
gungen konnten PUR-Modellrezepturen
identifiziert werden, die bei der Ent-
formung keine Ablagerungen auf der
permanenten Trennschicht hinterlassen.
Die Projektergebnisse zeigen, dass insbe-
sondere das Polyol und der verwendete
Katalysator einen deutlichen Einfluss auf
das Entformungsverhalten haben. Darü-
ber hinaus konnte ein Additiv identifiziert
werden, welches die Entformbarkeit der
getesteten PUR-Rezepturen in Kombina-
tion mit der ReleasePLAS®-Trennschicht
für schlechter trennende Systeme deut-
lich verbessert. Es wirkt dabei nicht wie
ein herkömmliches internes Trennmittel,
da es nach aktuellem Kenntnisstand
nicht aus dem Bauteil migriert. Das
Additiv wird in die molekulare Struktur
des PUR eingebunden, sodass bei einer
Verwendung deutlich höhere Werkzeug-
standzeiten erzielt werden können. Die
Erkenntnis, dass ein geringer Unterschied
der Formtemperatur bereits eine sprung-
hafte Reduktion der Trennkräfte bewirkt,
muss ebenfalls in den Fertigungsprozess
einfließen. Ob für die Automobilbranche,
die Medizintechnik, den Maschinen- und
Anlagenbau oder die optische Industrie –
die Ergebnisse des Projekts ermöglichen
den Weg hin zu einer sauberen und
trennmittelfreien PUR-Produktion. Neben
den benannten Vorteilen ermöglicht die
trennmittelfreie Produktion eine gleich-
zeitige Einstellung von unterschiedlichen
Oberflächeneigenschaften. So gelingt
durch dieses System eine einfache und
wirtschaftliche Fertigung von nano- und
mikrostrukturierten Oberflächen.
http://www.ifam.fraunhofer.de
NanoMat Newsletter 01 | 2015 20
In Industrieanlagen oder bei der Verstro-
mung von Biogas fällt Wärme an, die
häufig ungenutzt verloren geht. Eine
neue Technologie kann dies künftig
ändern: Sie ermöglicht es, die Wärme
über längere Zeiträume hinweg verlustfrei
zu speichern und bei Bedarf zu nutzen.
Auf der Messe BAU zeigt das Fraunhofer
IGB vom 19. bis 24. Januar 2015, wie die
sorptive Wärmespeicherung funktioniert
und technisch umgesetzt wird.
Etwa 40 Prozent der Energie wird in den
industrialisierten Ländern für das Heizen
und Kühlen verbraucht. Auf der anderen
Seite fällt in Industrieanlagen und bei der
Verstromung von Biogas Abwärme an,
die häufig ungenutzt verloren geht. Der
Knackpunkt: Die Wärme wird meist nicht
zu dem Zeitpunkt gebraucht, an dem sie
entsteht. Ähnliches gilt für die Wärme,
die sommers in Solaranlagen erzeugt
wird. Mit Wärmespeichern kann Ab- und
Überschusswärme gespeichert werden.
Am Markt derzeit verfügbare Systeme
speichern die Wärme auf der Basis von
Wasser. Die Nachteile: Sie können ledig-
lich eine begrenzte Menge Wärme auf-
nehmen. Diese lässt sich zudem nur über
kurze Zeiträume speichern, denn trotz
Isolierung gibt das Wasser die Wärme im
Laufe der Zeit an die Umgebung ab.
Eine Erfolg versprechende Alternative
ist die sorptive Wärmespeicherung, bei
FRAUNHOFER IGB: MIT ABWÄRME HEIZEN UND KÜHLEN
der die gespeicherte Wärme durch
physikalisch-chemische Prozesse fest ge-
bunden ist. Ein sorptiver Speicher kann
daher drei- bis sechsmal so viel Wärme
speichern wie Wasser. Zudem hält er die
Wärme über lange Zeiträume ohne Ver-
luste und kann auch bei Temperaturen
deutlich über 100 Grad Celsius arbeiten.
Ein adsorptives Wärmespeichersystem
hat das Fraunhofer-Institut für Grenzflä-
chen- und Bioverfahrenstechnik IGB in
einer ersten Demonstrationsanlage um-
gesetzt. Das System basiert auf der Ad-
sorption von Wasserdampf in den Poren
von Zeolithen. Zeolithe sind kristalline
Mineralien mit poröser Gerüststruktur.
Kommt ihre Oberfläche mit Wasser-
dampf in Berührung, bindet es diesen
in den Poren und Wärme entsteht.
Zur Wärmespeicherung trocknet man
den Werkstoff. Die thermische Energie
wird erst wieder frei, wenn sich erneut
Wasserdampf anlagert. Verhindert man,
dass der getrocknete Zeolith mit Wasser
in Berührung kommt, kann die Wärme
ohne zeitliche Beschränkung gespeichert
werden.
»Wir haben das Prinzip aufgegriffen
und technisch umgesetzt«, sagt Simone
Mack, Gruppenleiterin Wärme- und
Sorptionssysteme am IGB. Zunächst
haben die Forscher in einem Labor-
Reaktor gezeigt, dass das Verfahren
grundsätzlich funktioniert. »Wir haben
uns angeschaut, wie wir das Wärmespei-
cherprinzip technisch umsetzen können
und die Prozess- und Verfahrenstechnik
entwickelt«, erläutert Mack. Beson-
deres Augenmerk legten die Forscher
dabei auf einfach und flexibel gestaltete
Wärmetauscher, von denen pro Wärme-
speicher zwei benötigt werden. Der eine
sammelt die Ab- oder Überschusswärme
und speist sie in das Zeolithbett ein, der
zweite überträgt die in den Zeolithen
gespeicherte Wärme auf das Heizungs-
wasser, wenn es dort gebraucht wird.
Zudem sorgt eine optimierte Strömungs-
führung im Zeolithfestbett für eine
effizientere Speicherung der Wärmeener-
gie pro Raumvolumen: Die spezifischen
Energiespeicherdichten, die die Fraunho-
fer-Ingenieure mit dem System erreichen,
liegen bei 150 bis 240 Wattstunden pro
Kilogramm Speichermaterial. »Durch ein
optimiertes Speicherkonzept konnten
wir die Prozessdynamik verbessern und
höhere Speicherdichten sowie Lade- und
Entladeleistungen erzielen«, bekräftigt
Mack. In Zusammenarbeit mit Partnern
aus der Industrie wurden erste Demons-
trationsanlagen entwickelt und unter
praxisnahen Bedingungen erprobt. Um
die Wirtschaftlichkeit zu erhöhen, sollen
die transportablen Speicher weiter opti-
miert und an verschiedenen Standorten
getestet werden.
Des Weiteren verfolgen die Wissenschaft-
ler den Ansatz, mit Zeolith-Speichern zu
kühlen. Wenn das hygroskopische Zeolith
Wasserdampf in seinen Poren bindet (und
hier Wärme freigesetzt wird), entsteht
auf Seite des Wasserbehälters, dem der
Wasserdampf entzogen wird, Verdamp-
fungskälte, die für eine Kühlung genutzt
werden kann.
http://www.igb.fraunhofer.de
Diese Zeolith-Kügelchen binden Wasserdampf in ihren Poren – dabei entsteht Wärme.© Fraunhofer IGB
NanoMat Newsletter 01 | 2015 21
Wissenschaftler aus Deutschland und
Japan haben einen neuen Magnetsensor
entwickelt, der dünn, robust und flexibel
genug ist, um sich der menschlichen Haut
und ihren Bewegungen anzuschmie-
gen, sogar den starken Krümmungen
der Handflächen. Das weckt die Vision,
uns Menschen mit einem Magnetsinn
auszustatten. Der Magnetsinn ist bei
Bakterien und Insekten verbreitet. Sogar
einige Wirbeltiere wie Vögel und Haie
haben diese Fähigkeit, Magnetfelder
zu detektieren und für die Orientierung
und Navigation zu nutzen. Der Mensch
verfügt natürlicherweise nicht über ein
Sinnesorgan für magnetische Felder. Dr.
Denys Makarov und sein Team haben nun
eine elektronische Haut mit einem Mag-
netsensor entwickelt, die es dem Inhaber
FRAUNHOFER IFW: MAGNETSINN FÜR JEDERMANN
Freistehende Anordnung von fünf magneto-sensorischen Elementen auf einer PET Folie von anderthalb Mikrometern Dicke. (Foto: IFW Dresden)
Unauffälliger Magnetsensor auf einer Handfläche. Ein Element ist mit dem Ausleseschaltkreis verbunden.(Foto: IFW Dresden)
ermöglicht, mit einer Art sechstem Sinn
statische und dynamische Magnetfelder
wahrzunehmen. Die neuen Magnetsen-
soren sind weniger als zwei Mikrometer
dünn. Mit einem Gewicht von nur drei
Gramm pro Quadratmeter können sie
sogar auf einer Seifenblase schweben.
Sie können gefaltet und gebogen werden
und halten dabei extreme Krümmungs-
radien von weniger als drei Mikrometer
aus, ohne dass die Funktionalität beein-
trächtigt wird. Um das zu demonstrieren
haben die Forscher die Sensoren wie
Papier zwischen den Fingern zerknüllt.
Wenn man die Sensoren auf ein Gum-
miband aufbringt, kann man sie mehr
als 270 Prozent dehnen, und das mehr
als tausend Mal, ohne dass sie Schaden
nehmen.Diese mechanische und funktio-
nelle Robustheit wird durch die Verwen-
dung einer ultradünnen, flexiblen und
widerstandsfähigen Polymerschicht als
Unterlage erreicht.
„Wir haben eine Interaktionsplattform
zwischen Mensch und Maschine ent-
wickelt, die berührungslos ist und auf
die Haut aufgebracht werden kann. Das
eröffnet ein großes Anwendungsfeld für
Bewegungssensoren bei Soft-Robotern
oder bei funktionellen medizinischen
Implantaten sowie für Magnetsenso-
ren, die direkt auf die Haut aufgebracht
werden.”, sagt Michael Melzer, der als
Doktorand im Team von Denys Makarov
tätig ist. Denys Makarov leitet im Leibniz-
Institut für Festkörper- und Werkstofffor-
schung Dresden (IFW) die vom Europä-
ischen Forschungsrat (ERC) mit einem
ERC Starting Grant geförderte Gruppe
„Flexible Magnetoelektronik“.
„Diese mechanisch extrem robusten,
ultradünnen magnetischen Sensoren sind
ideal geeignet für tragbare, aber unauf-
fällige Orientierungs- und Manipulations-
hilfen.“, fügt Prof. Dr. Oliver G. Schmidt
hinzu, der im IFW Dresden das Institut für
Integrative Nanowissenschaften leitet.
Diese Ergebnisse wurden am IFW Dresden
und an der TU Chemnitz in enger Zusam-
menarbeit mit Partnern an den Universität
Tokyo und Osaka in Japan erzielt und
wurden publiziert in: Nat. Commun. 6,
6080 (2015) http://www.nature.com
http://www.ifw-dresden.de
FRAUNHOFER IGB: SCHADSTOFFE IM WASSER EINFACH BINDEN
In der porösen Trägerstruktur der Membranad-sorber sind winzige Polymerpartikel einge-bet-tet, die Schadstoffe aus dem Wasser binden.© Fraunhofer IGB
Neuartige Membranadsorber entfernen
nicht nur unerwünschte Partikel aus
Wasser, sondern gleichzeitig auch gelöste
Substanzen wie das hormonell wirkende
Bisphenol A oder giftiges Blei. Hierzu bet-
ten Forscher des Fraunhofer-Instituts für
Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik
IGB selektive Adsorberpartikel in Filtrati-
onsmembranen ein.
Erst im Januar 2015 hat die europäische
Lebensmittelbehörde EFSA den Grenz-
wert für Bisphenol A in Verpackungen
gesenkt. Die hormonell wirksame Mas-
senchemikalie ist unter anderem ein Aus-
gangsstoff für Polycarbonate, aus denen
beispielsweise CDs, Plastikgeschirr oder
Brillengläser hergestellt werden. Auf-
grund seiner chemischen Struktur wird
Bisphenol A in den biologischen Stufen
der Kläranlagen nicht vollständig abge-
baut und gelangt so über den Ablauf der
Kläranlage in Flüsse und Seen.
NanoMat Newsletter 01 | 2015 22
sind auch optimal zugänglich«, erklärt
Dr. Thomas Schiestel, Leiter der Arbeits-
gruppe »Anorganische Grenzflächen und
Membranen« am Fraunhofer IGB.
»Da die Schadstoffe bei unseren Memb-
ranadsorbern anders als bei herkömmli-
chen Adsorbern konvektiv, das heißt mit
dem schnell durch die Membranporen
strömenden Wasser transportiert werden,
reicht eine nur Sekunden dauernde
Kontaktzeit aus, um Schadstoffe auf der
Partikeloberfläche zu adsorbieren«, so der
Experte. Bis zu 40 Prozent des Gewichts
der Membranadsorber geht auf die Par-
tikel zurück, entsprechend hoch ist ihre
Bindekapazität. Gleichzeitig können die
Membranadsorber bei niedrigen Drücken
betrieben werden. Da die Membranen
sehr eng gepackt werden können, lassen
sich schon mit kleinen Anlagen sehr gro-
ße Volumina behandeln.
Funktionelle Adsorberpartikel
Die Adsorberpartikel selbst stellen die
Forscher in einem einstufigen, kosteneffi-
zienten Verfahren her. In dem patentier-
ten Prozess werden Monomer-Bausteine
mithilfe eines Vernetzers zu 50 bis 500
Nanometer kleinen Polymerkügelchen
polymerisiert. »Je nachdem, welche
Stoffe aus dem Wasser entfernt werden
sollen, wählen wir aus einer Reihe unter-
schiedlicher Monomere, die sich in ihren
funktionellen Gruppen unterscheiden,
das jeweils passende aus«, so Schiestel.
Die Bandbreite reicht dabei von eher
hy-drophobem Pyridin, über kationische
Ammoniumverbindungen bis hin zu anio-
nischen Phosphonaten.
Selektive Entfernung von Schadstof-
fen und Metallen
In verschiedenen Tests konnten die For-
scher zeigen, dass die Membranadsorber
durch die für den jeweiligen Schadstoff
maßgeschneiderten Partikel Schadstoffe
sehr selektiv entfernen. So binden Memb-
ranadsorber mit Pyridin-Gruppen das
hydrophobe Bisphenol A besonders gut,
während solche mit Aminogruppen das
negativ geladene Salz des Antibiotikums
Penicillin G adsorbieren.
»Die verschiedenen Adsorberpartikel
lassen sich sogar in einer Membran
kombinieren. Auf diese Weise können wir
mehrere Mikroschadstoffe gleichzeitig
mit nur einem Membranadsorber entfer-
nen«, weist Schiestel auf weitere Vorzüge
hin. Mit anderen funktionellen Gruppen
bestückt, können die Membranadsorber
auch toxische Schwermetalle wie Blei
oder Arsen aus dem Wasser entfernen.
Phosphonat-Membranadsorber etwa
adsorbieren mehr als 5 Gramm Blei pro
Quadratmeter Membranfläche – 40 Pro-
zent mehr als ein kommerziell erhältlicher
Membranadsorber.
Wirtschaftlich und regenerierbar
Damit die Membranadsorber mehrfach
verwendet werden können, müssen die
adsorbierten Schadstoffe wieder von den
Partikeln in der Membran gelöst wer-
den. »Mem-branadsorber für Bisphenol
A lassen sich durch eine Verschiebung
des pH-Werts vollständig regenerieren«,
erläutert Schiestel. Die konzentrierten
Schadstoffe können dann wirtschaftlich
entsorgt oder mit geeigneten oxidativen
Verfahren abgebaut werden.
Die Regenerierbarkeit der Membra-
nadsorber eröffnet zudem eine weitere
Anwendung: Die abgetrennten Mole-
küle wiederzuverwerten. Das macht die
Technologie auch für die Rückgewinnung
wertvoller Edelmetalle oder Seltene-
Erden-Metalle interessant.
http://www.igb.fraunhofer.de
Um Chemikalien, Antibiotika oder
Schwermetalle aus Ab- oder Prozess-
wasser zu entfernen, werden bereits
Aktivkohle oder andere Adsorberma-
terialien eingesetzt. Ein Nachteil dieser
hochporösen Materialien ist jedoch die
lange Kontaktzeit, die nötig ist, damit die
Schadstoffe in das Poreninnere diffundie-
ren können. Damit auch in kürzerer Zeit
möglichst alle Schadstoffe abgefangen
werden, setzen die Kläranlagen daher
größere Adsorbermengen ein, in entspre-
chend großen Behandlungsbecken. Ak-
tivkohle kann allerdings nur unter hohem
Energieeinsatz regeneriert werden, sodass
zumeist große Mengen schadstoffbelade-
nen Materials entsorgt werden müssen.
Auch die Membranfiltration mit Nano-
filtrations- oder Umkehrosmosememb-
ranen, die prinzipiell solche Schadstoffe
entfernen können, ist für die Entfernung
gelöster Moleküle aus großen Volumen-
strömen wie Prozess- oder Abwasser
noch nicht wirtschaftlich. Membranen
filtern das Wasser durch ihre Poren, wenn
auf einer Seite der Membran ein Druck
aufgebaut wird und halten dabei größere
Moleküle und Feststoffpartikel zurück.
Je kleiner die Membranporen aber sind,
desto größeren Druck – und damit desto
mehr Energie – muss man aufwenden,
um die Wasserinhaltsstoffe abzutrennen.
Membranadsorber – Filtern und Bin-
den in einem Schritt
Einen neuen Ansatz, der die Vorteile
beider Verfahren kombiniert, haben Wis-
senschaftler am Fraunhofer-Institut für
Grenzflächen- und Bioverfahrenstechnik
IGB in Stuttgart gewählt: Bei der Herstel-
lung der Membranen fügen sie kleine,
polymere Adsorberpartikel hinzu. Die
entstehenden Membranadsorber können
zusätzlich zu ihrer Filtrationsfunktion in
Wasser gelöste Stoffe adsorptiv binden.
»Wir nutzen die unter der Trennschicht
der Membran liegende poröse Struktur.
Die Poren bieten nicht nur eine sehr hohe
spezifische Oberfläche, um möglichst vie-
le Partikel einbetten zu können, sondern
NanoMat Newsletter 01 | 2015 23
Im Dünnschichtlabor des Max-Planck-
Institutes für Intelligente Systeme in
Stuttgart werden Kristalle in Nanome-
terdimension hergestellt, die als idealer
Baustoff für kleinstformatige Roboter
dienen können. Diese Faden-Kristalle
sind vollkommen im Gefüge und äußerst
belastbar: sie behalten auch unter
mechanischer Beanspruchung ihre Form
langfristig bei. Ein Team internationaler
Wissenschaftler berichtet in Zusammen-
arbeit mit Stuttgarter Physikern über
ihre Forschungsergebnisse. Wechselt
man vom Makro- in den Nanobereich,
so verändern sich die physikalischen und
chemischen Eigenschaften von Metallen.
Dies wussten bereits Forscher und Künst-
ler vor mehreren hundert Jahren.
Zerkleinert man zum Beispiel das Edel-
metall Gold in winzige Goldpartikel mit
einem Durchmesser von wenigen Nano-
metern, so wird man die typisch goldene
Färbung vergebens suchen: die Goldpar-
tikel zeigen nun eine tiefrote Farbe, die
bereits vor Jahrhunderten dazu verwen-
det wurde, beeindruckende Bilder in Kir-
chenfenstern zu gestalten. Nicht minder
überraschend ist, dass die Blaufärbung
solcher Malereien von Silberkolloiden
stammen, also von Silber-Nanopartikeln.
Doch nicht nur die Farbe verändert sich
beim Übergang in den Nanobereich: auch
mechanische Eigenschaften, wie zum Bei-
spiel die Fähigkeit zur Verformung ist von
der Größe des Gegenstandes abhängig.
Wird beispielsweise wenig Druck auf
eine metallische Oberfläche ausgeübt, so
ist die Verformung nur vorübergehend.
Dies verdeutlicht ein einfaches Beispiel
aus dem Alltag: die Karosserie des PKW
springt bei geringfügigem Druck in die
Ausgangslage zurück. Übersteigt die
Krafteinwirkung eine bestimmte Grenze,
so ist die Beule im geliebten Autoblech
dauerhaft: der Physiker spricht von
plastischer Verformung. Wie hoch die
Kraft sein muss, dass aus der reversiblen
Einbuchtung eine dauerhafte Beule wird,
ist von der Größe der Metallkörpers ab-
hängig: „Grundsätzlich gilt: the smaller,
the stronger“, erläutert Dr. Gunther
Richter, Leiter des Dünnschichtlabores am
MPI-IS in Stuttgart. „Bei Nanostrukturen
ist eine vergleichsweise höhere Kraft zur
Verformung notwendig, als bei größeren
Strukturen, d.h. um den Übergang von
elastischer zu plastischer Verformung zu
erreichen.“
Gunther Richter stellt diese Nano-Haare
in seinem Dünnschichtlabor am MPI-IS in
Stuttgart her: mittels Verdampfungsanla-
ge werden verschiedene Metallgase (z.B.
Palladium, Silber, Gold) unter Vakuumbe-
dingungen auf einem Träger abgeladen.
Dadurch wachsen haarähnliche Kristalle,
die gerade einmal 20 µm lang und nur
100 nm im Durchmesser sind.
„Das MPI-IS ist als einzige Einrichtung
weltweit dazu in der Lage“, betont Gun-
ther Richter. Diese im Vakuum gewach-
senen Fadenkristalle sind absolut perfekt:
sie sind frei von jeglichen Defekten, und
ebenmäßig in der (Kristall-)Struktur.
Erst über mechanische Beanspruchung,
die zu Verformung führt, werden Defekte
in der Struktur eingeführt. Diese Belas-
tungsproben untersuchen die Wissen-
schaftler im Transmissionselektronenmi-
kroskop und berichteten darüber bereits
im sehr renommierten Nature Communi-
cations [1]. Die metallischen Nano-Struk-
turen werden unter Last im Druck und im
Zug untersucht: mechanische Verformun-
gen werden erzeugt, die aber vollständig
reversibel sind. Dies liegt an der voll-
kommenen, Defekt-freien Struktur. Die
Stuttgarter Fadenkristalle halten somit
Spannungen extrem gut aus, ohne dass
die Form des Nano-Objektes langfristig
verändert wird.
Anders sieht es aus, wenn solche Faden-
Kristalle in der Flüssigphase hergestellt
werden: die Struktur ist defekt-behaftet
und nicht so gleichmäßig wie bei der
Vakuum-Variante. Im Transmissionselek-
tronenmikroskop sehen die Forscher den
MPI STUTTGART: DAS PERFEKTE BAUMATERIAL FÜR NANO-ROBOTER
entscheidenden Unterschied: bei zykli-
scher Belastung verändert sich der Nano-
Kristall aufgrund plastischer Verformung
[2]. Faden-Kristalle, die in Flüssigkeiten
gezogen wurden, reagieren somit instabi-
ler auf mechanische Belastung.
Dies macht die Faden-Kristalle, die am
MPI-IS hergestellt werden zum idealen
Baustoff für intelligente Systeme im
Nano-Format: sie sind äußerst belastbar,
verbrauchen wenig Energie und reagieren
reversibel auf mechanische Belastungen:
sie springen immer wieder in die Aus-
gangsform zurück.
Die Wissenschaftler haben sich bereits
die nächsten Ziele gesteckt: sie möchten
untersuchen, ob und wie sich mechani-
sche und auch magnetische Eigenschaf-
ten von Nano-Kristallen unter thermischer
Belastung verändern.
http://www.is.mpg.de
Nano-Haare, die im Dünnschichtlabor am MPI-IS in Stuttgart hergestellt werden: im Vakuum werden verschiedene Metallgase (z.B. Palladium, Silber, Gold) auf einen Träger aufgedampft. Die haarähnlichen Kristalle sind gerade ein-mal 20 µm lang und nur 100 nm im Durchmesser.Dr. Gunther Richter
NanoMat Newsletter 01 | 2015 24
Eine neue Materialentwicklung aus dem
Fraunhofer-Institut für Silicatforschung
ISC in Würzburg bringt die flexible
Displaytechnologie einen großen Schritt
voran: Gedruckte Sensoren für eine Folie,
die Verformungen »spürt«.
Die großflächige flexible Folie kann ihre
Verformung direkt und hochauflösend als
Steuersignal an einen Rechner senden.
Kombiniert wird sie mit einem Display, so-
dass Tablet PCs oder Smartphones nicht
nur über virtuelle Schalter und Buttons
bedient werden können, sondern über
Verformung und Bewegung der Folie
mit Hilfe von Eingabemuster, die direkt
digitalisiert und räumlich dargestellt
werden können. Diese Idee läutet einen
Paradigmenwechsel in der Bedienung von
E-books, Tablets und anderen digitalen
Medien ein. Passend dazu stellten kürz-
lich einige Partner des seit Oktober 2013
laufenden EU-Projekts FLASHED – Joan-
neum Research, das Media Interaction
Lab der Hochschule FH Oberösterreich,
FlexEnable (vormals Plastic Logic) und
Microsoft Research – das FLEX SENSE Dis-
play der Öffentlichkeit vor. FLEX SENSE ist
eine solche flexible Folie mit einer berüh-
rungsempfindlichen Oberfläche, die jede
Verformung selbst misst. Verantwortlich
dafür sind gedruckte quasi transparente
Piezosensoren, die die Verformung regis-
trieren. Zusammen mit der Entwicklung
von flexiblen Displays werden dadurch in
Zukunft innovative Eingabemöglichkeiten
entstehen, mit denen sich ein elektroni-
sches Gerät viel intuitiver steuern lässt als
über Tasten, Schalter oder »Wischfunkti-
onen«.
Möglich wurde diese neue Touch-Sensor-
technologie durch die Materialentwick-
lungen aus dem Fraunhofer ISC in Würz-
burg, ebenfalls ein FLASHED-Partner. Die
FRAUNHOFER ISC: FLASHED! TOUCH-SCREENS FÜR FLEXIBLE DISPLAYS
Würzburger Forscher entwickelten dafür
neuartige piezoelektrische Druckpasten,
die eine flexible Polymerfolie sensitiv ma-
chen und den flexiblen Aufbau von elek-
tronischen Drucksensoren mit simplen
Printverfahren erlauben. Damit wurden
die für FLEX SENSE nötigen Druck- und
Biegesensoren direkt auf flexible Folien-
substrate aufgedruckt.
Druckbare Sensoren – nicht nur
druckempfindlich
Die kostengünstig herstellbaren Sensoren
registrieren außer den Veränderungen
des mechanischen Drucks – beispiels-
weise beim Biegen und Bewegen des
flexiblen Displays – auch Temperaturän-
derungen. Damit lassen sie sich auch für
die Näherungssensorik einsetzen. So löst
schon eine kleine Temperaturänderung,
z. B. wenn sich eine Hand dem Sensor
nähert, ein entsprechendes Signal aus.
Diesen Effekt können die Entwickler
aber auch unterdrücken, wenn er nicht
benötigt wird. Für das FLEX SENSE
Display ist es beispielsweise vorteilhaft,
wenn die Temperatursensitivität kom-
plett ausgeschaltet wird, um eine höhere
Ortsauflösung zu erreichen. Bisher wird
das durch die Zugabe von bleihaltigen
Partikeln erreicht. Ein wichtiges Ziel für
die ISC-Forscher ist es jedoch, bei der
neuen Materialentwicklung das umwelt-
schädliche Blei zu vermeiden, ohne allzu
große Einbußen bei der Sensitivität hinzu-
nehmen. Dazu werden in Würzburg neue
ferroelektrische Partikel-Matrix-Systeme
entwickelt und für gängige Siebdruckver-
fahren angepasst.
Darüber hinaus können die gedruckten
Drucksensoren auch als Aktoren ge-
nutzt werden und so z. B. ein haptisches
Feedback ermöglichen. Für viele An-
wendungen kann die Kombination der
Sensoreigenschaften mit einem hapti-
schen Feedback die Nutzerfreundlichkeit
verbessern und den Funktionsumfang
erhöhen.
Flexible Displays –
robust, kostengünstig und vielseitig
Großer Vorteil gedruckter flexibler
Touch-Displays ist ihre Designfreiheit. Sie
können an nahezu beliebige Oberflächen
angeformt werden. Die Displayfläche
kann »ausgerollt« und so an jeden Bedarf
angepasst werden.
Touch-Displays auf Polymerbasis sind
leichter und robuster als die bisher
üblichen harten, glasbasierten berüh-
rungsempfindlichen Displays von Tablet
und Co. Preisgünstige Ausgangsmateria-
lien, der Verzicht auf kritische Rohstoffe
wie Blei und die einfache Verarbeitung
standen für die FLASHED-Projektpartner
bei den Anforderungen an die neue
Entwicklung ganz oben. So kann mit den
neuen Druckpasten des Fraunhofer ISC
ein Sensor auf einer flexiblen Folie in nur
drei Druckschritten aufgebaut werden.
Die Projektergebnisse von FLASHED sollen
helfen, zukünftig großflächige, leichte,
robuste und flexible Touchscreens zu
realisieren.
http://www.isc.fraunhofer.de
IMPRESSUM
Ansprechpartner
Prof. Dr. Jasmin Aghassi
Geschäftsstelle NanoMat
Karlsruher Institut für Technologie
Hermann-von-Helmholtz-Platz 1
76344 Eggenstein-Leopoldshafen
Email: [email protected]
WWW.NANOMAT.DE