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Seite 1 Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien Einführung | 1 Winzige Welten, wertvolle Wirkungen 1-1 Willkommen im Nanokosmos C C P P B B.

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1 Seite 1 Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien Einführung | 1 Winzige Welten, wertvolle Wirkungen 1-1 Willkommen im Nanokosmos C C P P B B Ein Nanometer (nm) ist der milliardste Teil eines Meters. 1 nm = 0, m Untersuchung, Herstellung und Anwendung von Strukturen unter 100 nm Was ist Nanotechnik?

2 Seite 2 Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien Einsatzgebiete | 2 Materialien und mehr 2-1 Vorteile im Verborgenen Anwendungsgebiet Anwendungsbeispiele C C P P B B Biowissenschaften Quantenpunkte als Markierungsstoff Medizin Nanoteilchen für Wirkstofftransport oder als Kontrastmittel Kosmetik Nanoteilchen als UV-Schutz in Sonnencreme Lacke / Farben Nanoteilchen für Kratzbeständigkeit Nanoteilchen als Pigmente Nanoschichten für blickwinkelabhängige Farben Optik Linsen, Verglasungen und Spiegel Ultraglatte Politur mit Nanopulvern Antireflexschichten Elektronik Kohlenstoff-Nanoröhren für Transistoren, OLEDs für Displays

3 Seite 3 Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien Einsatzgebiete | 2 Materialien und mehr 2-2 Übersicht: Nützliche Nano-Effekte P P B B C C Nanomaterialien Antifingerprint Antigraffiti AntibeschlagAntireflexAntimikrobiell Selbstreinigend / photokatalytisch Antifouling Easy-to-Clean / Schmutz abweisend Lotus-Effect Leichtbau / Gewichtsreduzierung UV-Schutz / Sonnenschutz Korrosionsschutz FlammschutzBrandschutz Verschleiß- minderung Kratzfeste Beschichtungen Reißfestigkeit / Schlagzähigkeit Optische Effekte Biologische EffekteMagnetismus

4 Seite 4 Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien Berufe | 3 Teamwork für technischen Fortschritt 3 Betätigungsfelder in der Nanotechnik Nanotechnik Informations- und Kommunikations- technik Umwelttechnik Energietechnik Material- wissenschaften Chemie Biologie Physik Analytik Medizin Ingenieur- wissenschaften C C P P B B

5 Seite 5 Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien Hebelarm und atomare Spitze Laser Probe auf Piezo-Steuerquarz (x, y, z) Detektor Kondensor* Objektiv* Detektoren für: Sekundärelektronen (SE) Rückstreuelektronen (RE) Probe Kathode Wehnelt-Zylinder Anode Ablenkspulen (x, y) Vakuum Forschung | 4 Augen und Finger im Unsichtbaren 4 Neue Erkenntnisse – neue Analyseverfahren Transmissions- Elektronenmikroskop (TEM) Raster-Elektronenmikroskop (REM) Rasterkraftmikroskop C C P P B B Kathode Anode Objekt (Probe) Objektiv* Zwischenlinse* Objektivaperturblende Endbild auf Leuchtschirm bzw. Fotoplatte Wehnelt-Zylinder Projektiv* Kondensor* *elektromagnetische Linsen Vakuum Bildschirm

6 Seite 6 Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien Produktion | 5 Werksatt für Winzlinge 5-1 Zwei Wege führen zu Nanostrukturen C C P P B B Bottom-up: von unten nach oben Aufbau von komplexen Strukturen aus einzelnen Atomen oder Molekülen Verfahren Sol-Gel-Prozess Gasphasensynthese Chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD) Physikalische Gasphasenabscheidung (physical vapor deposition, PVD) Top-down: von oben nach unten Erzeugung nanoskaliger Strukturen durch Verkleinerung bzw. durch ultrapräzise Materialbearbeitung Verfahren Zerkleinerung von Pulvern mit Kugelmühlen Strukturierung mit Stempeltechniken Strukturierung mit Elektronenstrahlen, Ionenstrahlen oder kurzwelliger UV-Strahlung

7 Seite 7 Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien Produktion | 5 Werksatt für Winzlinge 5-2 Bottom-up: Aus Sol mach Gel Sol-Gel-Reaktor Erzeugung von Nanopartikeln durch Fällungsreaktionen im Sol-Gel-Verfahren C C P P

8 Seite 8 Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien GasphasensyntheseGasphasenreaktor C C P P NukleationWachstumAggregation Vorläufer- Dampf Oxid- DampfKügelchenVerklumpung Reaktions- bereich / Flammzone Keimbildung Temperatur / Zeit Produktion | 5 Werksatt für Winzlinge 5-3 Bottom-up: Teilchentreffen in der Gasphase

9 Seite 9 Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien Einsatzmöglichkeiten von Nanomaterialien Elektrochrome Rückspiegel (tönen sich auf ein elektrisches Signal hin) Nano-Rußpartikel für bessere Haftung Vom Blickwinkel abhängige Farbe Kratzfeste Lacke Kleben statt schweißen Schmutz abweisende Oberflächen Kratzfeste Beschichtung (Kunststoffteile) Wirksamerer Katalysator Brennstoffzelle 2H 2 +O 2 => 2H 2 O Verschleißminderung im Motor Leichtere, stabilere und elastischere Kunststoffe Wärme reflektierende Verglasung Antireflexbeschichtung (Kombiinstrumente) C C P P Praxis und Perspektiven | 6 Mehr Nutzen im Alltag 6-1 Große Bandbreite: Nano im Automobil

10 Seite 10 Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien Organische Verbindung Länge und Breite: je 100–500 nm Höhe: 1 nm Nanobentonit: Vielseitige Werkstoffe (1) Organische Modifikation der Oberfläche durch Ionenaustausch NatriumbentonitOrgano-Ton (2) Entblätterung (Exfolierung) der Stapel aus Organobentonit- plättchen und gleichmäßige Verteilung im Kunststoff C C P P (3) Flammschutz durch Nanobentonit Ohne NanobentonitMit 5 % Nanobentonit Praxis und Perspektiven | 6 Mehr Nutzen im Alltag 6-2 Plättchen mit Power-Flammschutz durch Nano-Ton

11 Seite 11 Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien Lichtbrechung der Perlglanzpigmente C C Winkelabhängigkeit der Farbe Die Farbe der Perlglanzpigmente hängt von der Dicke ihrer Metalloxidbeschichtung ab. Das einfallende weiße Licht wird an ihrer oberen und unteren Grenzfläche so reflektiert, dass sich die zurückgeworfenen Lichtstrahlen dabei auslöschen oder verstärken (Interferenz). Durch die unterschiedlichen Wegstrecken des Lichtstrahls entstehen unterschiedliche Interferenzfarben, abhängig vom Betrachtungswinkel. Nano- meter Silizium- dioxid- plättchen Metalloxid- Beschichtung (TiO 2 oder Fe 2 O 3 ) P P Praxis und Perspektiven | 6 Mehr Nutzen im Alltag 6-3 Nano bringt Farbe ins Spiel

12 Seite 12 Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien Technische Umsetzung des Lotus-Effects Beispiel: Fassadenfarben Selbstreinigung von Lotusblättern Beispiel: Farbstoffe Mikrostrukturen mit Nano- Wachs-Kristallen auf der Blattoberfläche Wasser Schmutz- partikel Oberfläche mit Lotus-Effect Schmutzpartikel haften besser am Wassertropfen als an der Oberfläche und werden dadurch entfernt Glatte Oberfläche (Easy-to-clean) Wasser Schmutz- partikel Schmutzpartikel werden durch Wasser nur verlagert C C P P B B Praxis und Perspektiven | 6 Mehr Nutzen im Alltag 6-4 Nano hält sauber

13 Seite 13 Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien Magnetische Flüssigkeiten sind kolloidale Dispersionen von magnetischen Nano- partikeln in einer Träger- flüssigkeit, z. B. Wasser Igelstruktur eines Ferrofluids Ferrofluid Praxis und Perspektiven | 7 Bessere Gesundheitsversorgung 7-1 Magnetische Nanopartikel Der Rosensweig-Effekt C C P P B B

14 Seite 14 Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien P P B B Die Magnetfeld-Hyperthermie-Therapie 1. Links: Hirntumorzelle. Rechts: therapeutischer Eisenoxid-Nanopartikel 2. Die therapeutischen Nanopartikel tragen eine biochemische Hülle. 3. Die Nanopartikel-Dispersion wird in den Hirntumor gespritzt. 4. Rechts: Die Partikel werden von den Krebszellen aufgenommen. Links: Gesundes Gewebe 5. Das erkrankte Gewebe wird einem hochfrequenten magnetischen Wechselfeld ausgesetzt. 6. Die Nanopartikel haben sich im Tumor stark angereichert. 7. Die Nanoteilchen geraten in Schwingungen und erhitzen sich. 8. Die Tumorzellen werden zerstört. Copyright © 2007 MagForce Nanotechnologies AG Praxis und Perspektiven | 7 Bessere Gesundheitsversorgung 7-2 Krebsbekämpfung mit magnetischen Nanopartikeln

15 Seite 15 Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien Schema des Zahnaufbaus Praxis und Perspektiven | 7 Bessere Gesundheitsversorgung 7-3 Nano für Gesundheit und Wohlbefinden Zahnbehandlung mit Nanomaterialien C C B B Hydroxylapatit Ca 5 [OH|(PO 4 ) 3 ] Dentin-Kanälchen Zahnzement Offenliegendes Dentin Pulpa Zahnbein (Dentin) Zahnschmelz (Enamel) Dentinkanälchen unter dem Elektronenmikroskop Vor Behandlung Nach Behandlung

16 Seite 16 Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien Antireflex- Schicht C C P P > 95 % Photovoltaik- modul oder Sonnenkollektor Reflexion Lichtenergieausbeute > 90 % Praxis und Perspektiven | 8 Umweltschutz und Energie 8-1 Nano steigert Power Sonnenlicht

17 Seite 17 Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien COOH TerephthalsäureZinkoxid ZnO P P Nanowürfel unter dem Raster-Elektronenmikroskop Praxis und Perspektiven | 8 Umweltschutz und Energie 8-2 Nano in Würfeln: Mehr als sechs Seiten Komplexbildung + C C

18 Seite 18 Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien P P Praxis und Perspektiven | 8 Umweltschutz und Energie 8-3 Nanokeramik für Hochleistungsbatterien Keramik von der Rolle Eine Nanokeramik-Membran macht Li-Ionen-Batterien sicherer. Auch wenn die Batterie überhitzt, bleibt sie im Gegensatz zu herkömmlichen Kunststoffmembranen temperaturstabil. 2. Anode aus einer Lithium-Graphitverbindung 3. Elektronen bei der Entladung 4. Nanokeramik-Membran 5. Trägermaterial 6. Kathode aus Lithium-Cobaltoxid 7. Elektronen beim Ladevorgang 1. Negative Elektrode (Kupfer) 8. Positive Elektrode (Aluminium) 9. Flüssiges Medium Aufbau der Li-Ionen-Batterie C C

19 Seite 19 Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien Sicherheit | 9 Vorausschauend und verantwortungsvoll handeln 9 Chancen und Risiken der Nanotechnologie C C P P B B Verhalten von Nanomaterialien in den Stufen Herstellung -> Gebrauch -> Entsorgung / Recycling Untersuchung möglicher Wirkungen auf den Menschen und die Umwelt: Aufnahmewege in Organismen Verteilung, Verweildauer und Ausscheidung Biologische / toxikologische Wirkungen (z. B. Entzündungsreaktionen, Allergien) Vorausschauendes Handeln Entwicklung von Testsystemen für Nanomaterialien Standardisierung der Testsubstanzen Etablierung von Messverfahren am Arbeitsplatz Geeignete Maßnahmen zum Schutz der Arbeitnehmer (z. B. Luftfilter) Kontinuierliche Weiterentwicklung von Handlungsempfehlungen für den sicheren Umgang mit Nanomaterialien Fragestellungen der Forschung


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