C P B Was ist Nanotechnik?

Präsentation zum Thema: "C P B Was ist Nanotechnik?"—  Präsentation transkript:

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

2 Einsatzgebiete | 2 Materialien und mehr 2-1 Vorteile im Verborgenen
C P B Anwendungsgebiet Anwendungsbeispiele 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 Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien

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

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

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

6 C P B Bottom-up: „von unten nach oben“
Produktion | 5 Werksatt für Winzlinge 5-1 Zwei Wege führen zu Nanostrukturen C P 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 Sol-Gel-Reaktor Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien

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

8 C P Gasphasensynthese Gasphasenreaktor
Produktion | 5 Werksatt für Winzlinge 5-3 Bottom-up: Teilchentreffen in der Gasphase C P Gasphasensynthese Gasphasenreaktor Nukleation Wachstum Aggregation Vorläufer- Dampf Oxid- Dampf Kügelchen Verklumpung Reaktions- bereich / Flammzone Keimbildung Temperatur / Zeit Gasphasensynthese und Gasphasenreaktor Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien

9 Einsatzmöglichkeiten von Nanomaterialien
Praxis und Perspektiven | 6 Mehr Nutzen im Alltag 6-1 Große Bandbreite: „Nano“ im Automobil C P Einsatzmöglichkeiten von Nanomaterialien Vom Blickwinkel abhängige Farbe Kratzfeste Lacke Kleben statt schweißen Schmutz abweisende Oberflächen Kratzfeste Beschichtung (Kunststoffteile) Leichtere, stabilere und elastischere Kunststoffe Wärme reflektierende Verglasung Antireflexbeschichtung (Kombiinstrumente) Wirksamerer Katalysator Brennstoffzelle 2H2+O2 => 2H2O Verschleißminderung im Motor Elektrochrome Rückspiegel (tönen sich auf ein elektrisches Signal hin) Nano-Rußpartikel für bessere Haftung Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien

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

11 Lichtbrechung der Perlglanzpigmente Winkelabhängigkeit der Farbe
Praxis und Perspektiven | 6 Mehr Nutzen im Alltag 6-3 Nano bringt Farbe ins Spiel C P Lichtbrechung der Perlglanzpigmente Winkelabhängigkeit der Farbe Nano- meter Silizium- dioxid- plättchen Metalloxid-Beschichtung (TiO2 oder Fe2O3) 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. Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien

12 C P B Oberfläche mit Lotus-Effect Glatte Oberfläche (Easy-to-clean)
Praxis und Perspektiven | 6 Mehr Nutzen im Alltag 6-4 Nano hält sauber C P B Selbstreinigung von Lotusblättern Beispiel: Farbstoffe Mikrostrukturen mit Nano-Wachs-Kristallen auf der Blattoberfläche Technische Umsetzung des Lotus-Effects Beispiel: Fassadenfarben 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 Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien

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

14 Die Magnetfeld-Hyperthermie-Therapie
Praxis und Perspektiven | 7 Bessere Gesundheitsversorgung 7-2 Krebsbekämpfung mit magnetischen Nanopartikeln P 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 Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien

15 Zahnbehandlung mit Nanomaterialien
Praxis und Perspektiven | 7 Bessere Gesundheitsversorgung 7-3 Nano für Gesundheit und Wohlbefinden C B Zahnbehandlung mit Nanomaterialien Hydroxylapatit Ca5[OH|(PO4)3 ] Schema des Zahnaufbaus Dentinkanälchen unter dem Elektronenmikroskop Vor Behandlung Zahnschmelz (Enamel) Zahnbein (Dentin) Pulpa Offenliegendes Dentin Nach Behandlung Zahnzement Dentin-Kanälchen Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien

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

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

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

19 Fragestellungen der Forschung
Sicherheit | 9 Vorausschauend und verantwortungsvoll handeln 9 Chancen und Risiken der Nanotechnologie C P B Fragestellungen der Forschung 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 Nanotechnik Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien