Projektkurs Naturwissenschaften am AVG 2012/13 Nanotechnologie AVG Wesel

Gliederung Allgemeines Erforschung anhand von Mikroskopen Nanopartikel Lotuseffekt Mikroelektrische Schaltungen Die Besuche bei der BYK Herstellen eines elektr. Leitfähigen sowie eines kratzfesten Lackes Untersuchung der Lackproben Quellen AVG Wesel

Allgemeines Griechisch: ,,nanos“ Zwerg Forschungsgebiet der kleinsten Dimension Definition: ,,Ein Teilchen mit einer oder mehreren Dimensionen in der Größenordnung von 100 nm oder weniger“ Spezielle Mikroskope dienen zur Erforschung Anwendung: Chemie, Halbleiter, Maschinenbau, Lebensmitteltechnologie AVG Wesel

Die Mikroskope Erster Uni-Besuch Erforschung Die Mikroskope Erster Uni-Besuch AVG Wesel

Erforschung – Die Mikroskope I Lichtmikroskop: Vergrößerung von Objekten durch Einsatz von Linsensystemen Verschiedene Methoden: 1) Durchstrahlmikroskopie: Lichtquelle durchdringt das Präparat von unten, Betrachtung von dünnen Objekten bzw. dünn geschnittenen Objekten 2) Aufstrahlmikroskopie: Lichtquelle von oben AVG Wesel

Beispiel: Handydisplay AVG Wesel

Erforschung – Mikroskope II Elektronenmikroskop: Vergolden des Präparats, Erzeugung von elektrischer Leitfähigkeit Abschießen von Elektronen durch eine Elektronenkanone durch Fokussierung des Elektronenstrahls wird die Oberfläche ab gescannt Abprallwinkel der Elektronen definieren die Oberflächenstruktur des Präparats AVG Wesel

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Beispiel: Haifischschuppe AVG Wesel

Erforschung – Mikroskope III Rasterkraftmikroskop: Sonde liegt auf der Probe, welche an einem Federbalken befestigt ist Abtasten die Oberfläche der Probe durch die Sonde Laser misst die Auslenkung des Federbalkens Raster wird erstellt mittels Sonde: Spitze ist so groß wie ein Atom (extrem genaue Angabe der Oberfläche) AVG Wesel

Rasterkraftmikroskop AVG Wesel

Rasterkraftmikroskop AVG Wesel

Nanopartikel AVG Wesel

Untersuchung, Herstellung und Anwendung von Strukturen unter 100 nm Ein Nanometer (nm) ist der milliardste Teil eines Meters. 1 nm = 0,000 000 001 m Was ist Nanotechnik? Was ist Nanotechnik?

Nanopartikel - Definition werden auch Ultrafeinteilchen genannt Zusammenschlüsse von Nanopartikeln nennt man Agglomerate als kleinste Einheit definierte Teilchen, welche spezielle Eigenschaften aufweisen (z.B. Transport) sind maximal 100 nm groß Beeinflussung der Materialeigenschaften AVG Wesel

Nanopartikel - Herstellungsverfahren Top-down (eng.: oben nach unten) Modifizierung größerer Objekte auf nanoskalige Ebene In der Industrie: Kugelmühlen dienen zur Zerkleinerung zerkleinertes Präparat (50 Mikrometer) kommt mit gehärteten Stahlkugeln in die Kugelmühlen Ergebnis: 3–25 nm große Partikel AVG Wesel

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Nanopartikel - Herstellungsverfahren Mechanischer Stempel: Gebündelter Strahl von Elektronen bzw. Ionen brennen einen Krater in das Werkstück Durchmesser der Krater: 10 nm Formen eines Nanomusters Speicherung von Informationen mit hoher Dichte (z.B. DVD´s) AVG Wesel

Nanopartikel - Herstellungsverfahren Bottom-up (unten nach oben) umgekehrte Produktionsrichtung als Top-down Verfahren Zusammenbauen ausgewählter Moleküle und Atome zur Produktion von Objekten mit speziellen Eigenschaften Verwendung von Katalysatoren und thermischer Energie zur Anordnung der Moleküle AVG Wesel

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Nanopartikel – Herstellungsverfahren Manuelle Verschiebung: Rasterkraftmikroskop ermittelt die Oberflächenstruktur Gehärtete Spitze verändert die Oberfläche Durch Van- der-Waals-Kräfte zieht die Spitze einzelne Atome an Neupositionierung durch elektrische Impulse AVG Wesel

Nanopartikel – Herstellungsverfahren AVG Wesel

Beispiel CNT´s: Kohlenstoffnanoröhrchen AVG Wesel

Was sind CNT´s? Kette von Kohlenwasserstoffen wabenartig angeordnet (Graphen) bilden ein Netz hohe Stabilität durch diese Anordnung mehrere Monoschichten Graphen = Graphit erweiterte Form des Graphen durch spezielle tunnelförmige Anordnung AVG Wesel

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Nanopartikel - Anwendung Oberflächenbeschichtung: Lacke, Optik, Gläser, selbstreinigende Eigenschaften Elektronische Leistungsverbesserung: höhere Leitfähigkeit, größere Speicher Medien Medizin: Krebsbekämpfung, Tumorbehandlung, Behandlung von Innen Textilien AVG Wesel

Nanopartikel - Risiken viel komplexer als gedacht; mögliche unerwünschte Nebeneffekte erreichen jede Körperzelle (z.B. Autogase enthalten Nanopartikel, gelangen in die Lunge) unbewusste Reaktion auf die Umwelt falsche Anwendung in der Medizin können zu Langzeitfolgen führen AVG Wesel

Lotuseffekt Zweiter Uni-Besuch AVG Wesel

Funktionsprinzip widerlegt die Annahme ,,je glatter, desto sauberer“ extrem raue Oberfläche im Nanometerbereich bilden eine Schutzschicht Oberflächenspannung des Wassers verhilft zur Erhaltung der Tropfen anschließendes Abperlen der Tropfen in der Natur: hydrophobe Wachsschicht, verstärkt den Lotuseffekt der Pflanzen (20-50 Mikrometer große Noppen) AVG Wesel

Schematische Darstellung AVG Wesel

Anwendungsbereiche Wandfarben z.B. selbstreinigende Fassaden Imprägnier-Spray für Schuhe oder Ledersofa Lacke z.B. Autokarosserien Gläser, Spiegel etc. Schifffahrtsindustrie Natur, z.B. die Lotusblume (Namensgebend) AVG Wesel

Mikroelektrische Schaltungen AVG Wesel

Mikroelektrische Schaltungen Definition: Die Mikroelektrik ist ein Teil der Elektronik, genauer der Halbleiterelektronik, die sich auf den Entwurf von miniaturisierten Schaltungen spezialisiert hat. Abkürzung: IC = integrierte Schaltungen AVG Wesel

Mikroelektrische Schaltungen Transistor Unerlässlicher Bauteil für Mikrochips dient zur Datenübertragung Mittels elektronischer Signale Miniaturisierung der Datenmenge wesentlich praktischer als die zuvor verwendeten Elektronenröhrchen Stromrichtung gibt die Datenflussrichtung vor Größe: 30 nm (ungefähr) AVG Wesel

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Zukunft von Graphen in Mikrochips kleine Struktur mit hoher Speicherkapazität hohe elektrische Leitfähigkeit Möglichkeit Silicium als Transistormaterial zu ersetzen perfekte Eignung für Mikrochips Zu aufwändig und zu teuer in der Herstellung AVG Wesel

Herstellen eines Lackes mit erhöhter Kratzfestigkeit In Zusammenarbeit mit der AVG Wesel

Aufgabenstellung Fiktiver Kundenauftrag: Kunde möchte einen Lack mit erhöhter Kratzfestigkeit neuer UV-härtender Klarlack für z.B. Handydisplay Nanopartikel in Form von Additiven sollen helfen AVG Wesel

Teil 1: Anfertigung des Basislackes Position Rohstoffe [g] 1 Desmolux VPLS 2265 Bindemittel, aliphatisches Urethanacrylat 182 2 Desmolux U100 136 3 2-(2-ethoxyethoxy) Ethylacrylat Reaktivverdünner 19,2 4 Dipentaerythritol-pentaacrylat 49,2 5 Irgacure 184 Fotoinitiator 13,6 6 Nanobyk 3605 / 3602 Additiv Jeweils 2, 4, 6% 7 LP-X-21192 Jeweils 2, 4, 6 % AVG Wesel

Teil 2: Einarbeiten der Nanopartikel in den Lack Aufteilung in 10 Proben á 30 g Kontrollprobe Je 3 Proben mit: Nanobyk 3602 (30 % Aluminiumoxid - Nanopartikel (40nm)) Nanobyk 3605 (50 % Silica - Nanopartikel (20nm)) LP-X-21192 (20 % Böhmit – Nanopartikel (10nm)) in unterschiedlichen Konzentrationen (2-; 4-, und 6%) AVG Wesel

Teil 3: Applikation der Beschichtung Auftragen der Proben auf einer schwarzen PMMA-Platte Vermeidung von Staub auf den Proben Direkte Aufbewahrung in dem UV-Kanal Härtung des Lackes Anschließende Verkratzung mit Crockmeter AVG Wesel

Teil 4: Die messbaren Ergebnisse AVG Wesel

Fazit Bei allen Additiven gilt: bei einer Konzentration von 6 % wurden die besten Ergebnisse gemessen Die Kratzfestigkeit des UV - Lackes wird durch das Additiv Nanobyk 3605 mit einer Konzentration von 6% am meisten verbessert kaum oder nur vereinzelte sehr kleine Kratzer Verkratzung ist kaum sichtbar, auch unter dem Mikroskop AVG Wesel

Bilder Rasterelektronenmikroskop Kontrollprobe ohne Kratzer

Bilder Rasterelektronenmikroskop Nanobyk 3602 - Übersicht Starke Beschädigung

Bilder Rasterelektronenmikroskop Nanobyk 3605 - Übersicht leichte Beschädigung

Bilder Rasterelektronenmikroskop LP-X-21192: Übersicht Leichte Beschädigung

Bilder Rasterelektronenmikroskop LP-X-21192 Nahaufnahme Einzelner Kratzer

fast ausschließlich Kratzer, 21 𝜇m breit Zusammenfassung Kratzfestigkeit Nanobyk 3602 6% Nanobyk 3605 6% LP-X- 21192 6% Lichtmikroskop fast ausschließlich Kratzer, 21 𝜇m breit sehr wenige Kratzer, 21 𝜇m breit ein paar Kratzer, im Durchschnitt 15-20 𝜇m REM sehr starke Beschädigung der Platte sehr leichte Beschädigung, Kratzer sind nicht tief genug um bei Beschichtung mit Gold sichtbar zu werden leichte Beschädigung, vereinzelte Kratzer Glanzerhalt 64,5 % 98,5 % 96,2 %

Herstellen eines Lackes mit elektrischer Leitfähigkeit Die Zusammenarbeit mit der AVG Wesel

Aufgabenstellung Fiktiver Kundenauftrag: Kunde möchte elektrisch leitfähige Beschichtung Beschichtung soll Computerkomponenten vor elektr. Entladung schützen muss Flexibilität aufweisen und gewissen Temperaturen standhalten AVG Wesel

Teil 1: Anfertigung des Basislackes Position Rohstoffe [g] 1 Bayhydrol E 155 Bindemittel, gesättigter Polyester 150 2 Cymel 327 Bindemittel, Melaminharz 23,4 3 Butylglykol Co-Lösemittel 12 4 Wasser Lösemittel 106,8 5 10%iges DEMA in H²O Amin 6 BYK-025 Entschäumer 0,9 7 BYK-307 Verlaufsadditiv AVG Wesel

Teil 2: Einarbeiten der CNT´s in den Lack Aufteilung in 9 Proben à 30 g Kontrollprobe Probe mit CNT´s (unterschiedl. Konzentration 0,5-2%) Probe mit Leitruß (gleiche Konzentrationen wie CNT´s) jeweils 4 Proben pro Additiv CNT Leitruß Aussehen Röhrenförmig, wabenartig kugelförmig Größe 1-50 nm 10-300 nm Produktion Unvollständige Verbrennung von Kohlenwasserstoffen Laser bzw. Gasentladung AVG Wesel

Teil 3: Applikation der Beschichtung Auftragen der Proben auf verschiedene Substrate Ablüften lassen Einbrennen des Lackes bei 130°C Auswählen eines geeigneten Substrats Hitzebeständige PET-Folie AVG Wesel

Teil 4: elektrische Leitfähigkeit: Ergebnisse Möglichst kleine Veränderung der Produkte CNT´s weisen bei geringer Konzentration bessere Produkte auf Leitruß ist nur in großen Mengen effektiv geringerer Kostenaufwand liegt bei den CNT´s Hoher Widerstand Niedriger Widerstand AVG Wesel

Untersuchung unter dem Elektronenmikroskop (gezoomt) I AVG Wesel

Untersuchung unter dem Elektronenmikroskop II AVG Wesel

Untersuchung unter dem Rasterkraftmikroskop AVG Wesel

Fazit CNT´s sind kristallförmig Bilden ein relativ regelmäßige Beschichtung Einige nicht beschichtete Flächen Lichtmikroskop reicht nicht aus Verunreinigungen treten auf AVG Wesel

Fragen? AVG Wesel

Quellen I http://flexikon.doccheck.com/de/Lichtmikroskop http://www.jameda.de/gesundheits-lexikon/bilder/big/506737.jpg http://www.uni-regensburg.de/Fakultaeten/Medizin/Pathologie/EMLabor/sites/funktion.htm http://www.nano-world.org/WS03_04/0100Abbilden/spm/content/0120history/0550Elektronenmikroskop2/bild1 http://www.weltderphysik.de/gebiete/stoffe/untersuchung-und-analyse/rastesondenmethoden/rasterkraftmikroskopie/ AVG Wesel

Quellen II http://thumbs.dreamstime.com/z/mann-3d-mit-mikroskop-16092119.jpg http://www.presse-archiv.uni-wuppertal.de/archiv/output/okt98/photolacke.html http://www.adpic.de/data/picture/detail/rote_Blutkoerperchen_146858.jpg http://world-of-nano.de/grundlagen/der-top-down-ansatz--3-0013.html http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/76/Kohlenstoffnanoroehre_Animation.gif http://www.bmbf.de/pub/nanopartikel_kleine_dinge_grosse_wirkung.pdf http://www.deutsches-museum.de/fileadmin/Content/010_DM/020_Ausstellungen/110_Neue_Technologien/020_Nano_Biotechnologie/030_Highlightexponate/bottom_up.jpg AVG Wesel

Quellen III http://f2.hs-hannover.de/typo3temp/pics/6586641761.png http://1.bp.blogspot.com/-KiVkYI4YdJE/TZGx5eax5NI/AAAAAAAAAAM/xCLUn6lcf3s/s1600/lotuseffekt.jpg http://thumbs.dreamstime.com/thumblarge_31/1132690078x5mKID.jpg http://www.coatings-science.com/images/logo/BYK_5.jpg http://www.uni-erlangen.de/infocenter/meldungen/images/2009-05/SPPs_Graphen.jpg Ordner der Byk-Chemie bzw. der Uni Duisburg-Essen Bereits erarbeitete Materialien (Moodle) AVG Wesel