Nanotechnologie - kleine Welt ganz groß

Was ist Nanotechnologie? Herstellen und Analysieren sowie Arbeiten mit Materialien im Größenbereich 1-100 nm. 1 Nanometer verhält sich zu 1 Meter etwa so wie der Durchmesser einer Haselnuss zum Durchmesser der Erde.     Für Atome und Moleküle gelten andere Gesetze als in unserer makroskopischen Welt, die Gesetze der Quantenphysik.

Nanoskalige Teilchen haben besondere Eigenschaften in Hinblick auf Mechanik Superplastizität Oberflächenaktivität Rheologie Optik Magnetismus

Mechanische Eigenschaften von Nickel Nickel polykristallin Nickel Teilchengröße 100 nm Nickel Teilchengröße 10 nm Zugfestigkeit 25°C [MPa] 403 1100 >2000 Zugdehnung 25°C [%] 50 >15 1 Vickershärte [kg/mm²] 140 300 650

Superplastizität Definition: Auftreten einer ungewöhnlich starken kontinuierlichen Verformung eines Werkstoffes ohne Einschnürung bis zum Bruch Materialien aus Nanoteilchen sind extrem dehnbar.

Oberflächenaktivität Partikeldurchmesser [nm] Totale Anzahl der Atome im Partikel Anteil an Oberflächenatomen [%] 20 250000 10 30000 5 4000 40 2 250 80 1 30 99

Rheologisches Verhalten Das Verhältnis von Oberfläche und Masse ist bei nanoskaligen Materialien sehr groß. Deshalb bleiben Nanopartikel in Suspension in der Schwebe – keine Sedimentation. Folglich kann die Viskosität einer Flüssigkeit durch Zusatz von Nanoteilchen gezielt erhöht werden.

Optisches Verhalten nanoskaliger Teilchen Veränderung der Partikelgröße führt zur Veränderung der Farbe im Bereich des sichtbaren Lichtes. Ansonsten undurchsichtige Materialien können durch extrem kleine Partikelgrößen transparent erscheinen.

Analytische Methoden Rasterelektronenmikroskopie Hochauflösende Rasterelektronenmikroskopie Transmissionselektronenmikroskopie Rastersondenmikroskopie Rastertunnelmikroskopie Rasterkraftmikroskopie

Rasterkraftmikroskopie (Prinzip. Schallplattenspieler)

Ausgewählte Methoden zur Erzeugung nanostrukturierter Materialien Dünne Schichten Abscheidung aus der Gasphase Ionenimplantation Galvanische Beschichtungen Sol-Gel-Verfahren Oberflächen-Strukturierung (z.B. Litografie) Nanotubes Plasma Laser-Schuss

Nanotechnologische Anwendungen Oberflächenbeschichtungen Keramiken aus Nanoteilchen Medizinische, biologische und kosmetische Anwendungen Molekulare Elektronik Nanoröhren Optische Anwendungen - Farbigkeit

Der Lotus-Effekt Die Lotusblume – das natürliche Vorbild Symbol der Reinheit makellos sauber

Grenzflächen

Strukturierte Oberflächen Beim Lotus-Effekt: aufgelagerte, wasserabstoßende Wachskristalle im Nanometerbereich

Benetzung von Oberflächen Benetzung abhängig vom Verhältnis der Grenzflächenspannungen Kontaktwinkel von 0° vollständige Benetzung Kontaktwinkel von 180° vollkommene Unbenetzbarkeit

Klebrige Flüssigkeiten Superhydrophobe Oberfläche der Lotus-Blume sorgt dafür, das selbst Klebstoffe (auf Wasserbasis) und Honig vollständig vom Blatt ablaufen

Selbstreinigung der Oberfläche Ein Tropfen nimmt die lose auf einem Blatt aufliegenden Schmutzpartikel auf und reinigt so die Oberfläche. Selbst ein fettliebender Farbstoff bleibt nicht an der Oberfläche haften und wird abgespült.

Technische Umsetzung Lotus-Effekt basiert auf einer physikalisch-chemischen Grundlage Anwendungsgebiete liegen in der Beschichtung von Fassaden, Dächern und Textilien und der Lackindustrie.

Vergleich hydrophober strukturierter und glatter Oberflächen A) Oberfläche mit Lotus-Effekt, vollständige Reinigung durch einen Wassertropfen B) Glatte, hydrophobe Oberfläche ("easy to clean“), Schmutz wird durch Wasser nur verlagert

Ionenimplantation (Titan-Nitrid)

Keramiken aus Nanoteilchen Scheibe aus Sinterkorund (-Al2O3, mittlere Gefügekorngröße ~ 0,6 µm), Anwendung in energiesparenden Hochleistungslampen (kleines Bild), für kratzfeste Barcode-Scanner weiterentwickelte ballistische Schutzkeramik

Magnetflüssigkeits-Hyperthermie Die in der Suspension schwebenden Eisenoxid-Nanopartikel werden nur von Tumorzellen aufgenommen. Von einem äußeren Magnetfeld zum Schwingen gebracht, erwärmen die Teilchen den Tumor und zerstören ihn.

Keramische Filter Filtrationsmembrane aus Aluminiumoxid (Porengröße 1 nm) und aus Sinterkorund (Porengröße 15-50 nm) werden für Trennzwecke in der Abwasserbehandlung, der Lebensmittelindustrie und in der Umwelttechnologie eingesetzt.

Molekulare Elektronik Moderne Elektronik ist geprägt von Siliziumchips, Platinen und Lötkolben. Ziel der molekularen Elektronik ist es, Bauteile in den Nanometerbereich zu verkleinern. Momentan ist es möglich, Bauteile in Nanometergöße aus organischen Molekülen, Kohlenstoff-Nanoröhren und Halbleiter-Nanodrähten herzustellen. Vorteil der winzigen molekularen Dimensionen: Herstellung von Chips mit enormen Speicherdichten und extrem kurze Rechenzeiten sind möglich.

Wie fließt Strom durch ein einzelnes Molekül? In Zukunft werden elektrische Schaltkreise vermutlich nicht mehr auf Basis Silizium, sondern auf Basis leitfähiger organischer Moleküle hergestellt werden. Wie elektrischer Strom durch ein einzelnes Molekül fließt, kann mit Hilfe der Bruchkontakttechnik studiert werden. Durch Elektronenstrahllitografie wird eine Leiterbahn auf eine Platte aufgetragen. Diese wird gebogen, so dass die Leiterbahn gedehnt und dadurch sehr dünn wird, bis sie bricht. Der Abstand der Bruchstellen, die in Folgenden die Funktionen von Plus- und Minuspol übernehmen, kann durch Biegen der Platte gesteuert werden und liegt im Bereich atomarer Größen. Eine Lösung der untersuchenden Substanz wird auf die Bruchstelle gebracht. An der Oberfläche der Elektroden kommt es zu chemischen Reaktionen mit den funktionellen Gruppen der zu testenden Moleküle, so dass schließlich genau ein Molekül zwischen die Elektroden gespannt wird. Nun können Stromkennlinien aufgenommen werden. Molekülvariationen dienen dem Verständnis molekularer Leitfähigkeitsmechanismen.

Nanoröhren Röhrenartige Gebilde von nur wenigen Nanometern Durchmesser und einigen Mikrometern Länge. Je nach Aufwicklung der Graphitschichten resultieren Leiter oder Halbleiter. Die Herstellung von Fasern für Hochleistungs-Verbundwerkstoffe ist möglich.

mit Silber gefüllte Nanoröhre Nanoröhren aus Polystyrol

Aufbau von Effektpigmenten

Metall- und Effektpigmente Farbeffekte kommen aufgrund der Wechselwirkung von Licht mit Materie zustande. Pigmente besitzen großes Streuvermögen. Bei Metallic- und Perlglanzpigmenten überwiegt die Änderung der Farbhelligkeit mit dem Betrachtungswinkel. Reflexion, Absorption und Interferenz an den Teilchen spielen eine große Rolle.

Farbe ohne Farbstoff Dispersionen von Nanoteilchen zeigen einen winkelabhängigen Farbeffekt. Farbe entsteht, ohne dass ein Farbstoff enthalten ist. Die Farberscheinung ist abhängig von der Teilchengröße.

Der Farbeindruck beim Schmetterling entsteht durch eine nanostrukturierte Oberfläche

Sonnenschutz   Nanopartikel aus Titandioxid und Zinkoxid können zum Schutz vor UV-Strahlung eingesetzt werden. In einer Creme dispergiert, verteilen sie sich besonders gut und gleichmäßig auf der Haut und absorbieren UV-Licht. Außerdem ist Sonnencreme mit Titandioxid für manche Allergiker besser verträglich, weil es sich um einen anorganischen Wirkstoff handelt.

Antibakterielle Oberflächen   Die antibakterielle Beschichtung von Armaturen oder Kühlschränken besteht schon häufig aus Titandioxid-Nanopartikeln, die mit einer dünnen Silberschicht überzogen sind. Durch die Beschichtung wird das Wachstum von Mikroorganismen empfindlich gestört.

Skiwachs   Ein neues fluoriertes Polymer für Skibeläge weist folgende Besonderheit auf: Durch Selbstorganisation entstehen hauchdünne Fluorschichten, die durch Kombination mit einem Haftvermittler hervorragend an der Oberfläche der Polyethen-Skibeläge haften. Die Beschichtung behält ihre optimalen Eigenschaften auch bei unterschiedlichen Temperaturen.

Potentielle Risiken für Gesundheit und Umwelt Gefahr durch Nanopartikel in der Luft Mögliche Entstehung von Atemwegserkrankungen und Krebs durch das Einatmen von Nanopartikeln Langfristige Gesundheitsschädigungen durch Nanopartikel enthaltende Kosmetika (Sonnencreme) Gesundheitsschädigungen durch über Nanopartikel verabreichte Medikamente (z.B. allergische Reaktionen) Entweichen von Nanopartikeln aus Produktionsanlagen und damit unkontrollierte Verbreitung in der Umwelt