Grundlagen-Modul Gesamtversion

1. Wie klein ist „nano“?

Die Definition von Nano Nano wurde aus dem Griechischen abgeleitet (nanos = Zwerg) 1 Nanometer = 1/1‘000‘000 mm ≈ 3 Gold-Atome 100 m = 1.0 = 1 m (1 Meter) 10-3 m = 0.001 m = 1 mm (1Millimeter) 10-6 m = 0.000 001 m = 1 μm (1 Mikrometer) 10-9 m = 0.000 000 001 m = 1 nm (1 Nanometer)

Die Nano-Dimension – Grössenordnung Quelle: Fonds der chemischen Industrie FCI - Foliensatz

Die Nano-Dimension – Grössenordnung Kurzfilm-Klassiker von Charles und Ray Eames aus dem Jahr 1977 Quelle: http://www.powersof10.com/

Die Nano-Dimension – Grössenordnung Webseite „Scale of the Universe“ Quelle: http://primaxstudio.com/stuff/scale_of_universe/

Die Nano-Dimension – Grössenverhältnis Verhältnis Erde/Fussball = Verhältnis Fussball/Fulleren Quelle: Universität Mainz Quelle: www.surf.nuqe.nagoya-u.ac.jp Quelle: Dr. Martin Schubert Kompetenzzentrum cc-NanoChem e. V.

2. Definitionen

Was ist Nanotechnologie? Die Nanotechnologie … … beinhaltet Forschung und technologische Entwicklung im Bereich von 1 nm bis 100 nm … erzeugt und bedient sich Strukturen, die aufgrund ihrer Grösse völlig neue Eigenschaften aufweisen … beruht auf der Fähigkeit, im atomaren Massstab zu kontrollieren und zu manipulieren … verbindet die klassischen Gebiete Chemie, Physik und Biologie Quelle: www.nano.gov/html/facts/whatIsNano.html

Disziplinen verschmelzen Physik Chemie Biologie Nano-technologie Physikalische Chemie Materialwissenschaften Mikroelektronik/Mechatronik Biochemie Pharma Diagnostik Biophysik Medizintechnik Medizinphysik

Was ist ein Nanomaterial? Nanostrukturiere Materialien (Innere Struktur oder Oberflächenstruktur im Nanometermassstab) Nanoobjekte

Beispiele Nanopartikel (Zinkoxid) Mehrwandiges Kohlenstoff-Nanoröhrchen Photonischer Kristall Aerogel (hochporöse Festkörper) Schicht Grenzfläche Chip (AMD K8) Strukturgrösse ≤ 130 nm

3. Herstellung

Woher kommen Nanopartikel? Nanopartikel aus natürlichen Quellen Vulkanausbrüche Waldbrände Sandstürme Nanopartikel durch den Menschen verursacht Zigarettenrauch Verkehr (Dieselfahrzeuge) Industrie Industrielle Erzeugung von Nanostrukturen Top-down Bottom-up

Erzeugung von Nanostrukturen vom Baum Top-down: „von oben nach unten“ Erzeugung nanoskaliger Strukturen durch Verkleinerung bzw. durch ultrapräzise Materialbearbeitung Verfahren Zerkleinerung von Pulvern mit Kugelmühlen Ätzverfahren (Photolithographie) Strukturierung mit Elektronen- oder Ionenstrahlen zum Brett

Erzeugung von Nanostrukturen vom Keimling Bottom-up: „von unten nach oben“ Aufbau von komplexen Strukturen aus einzelnen Atomen oder Molekülen häufig in Selbstorganisation (self-assembly) Verfahren: Sol-Gel-Prozess Gasphasensynthese Chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD) Physikalische Gasphasenabscheidung (physical vapor deposition, PVD) zum Baum

4. Warum „nano“?

Neue Eigenschaften Nanomaterialien zeigen „neue“ Eigenschaften. Beispiel Aluminium: Alu-Folie ist chemisch sehr stabil und darum wenig reaktionsfreudig. Alu-Nanopartikel verbrennen dagegen explosionsartig und werden als Raketentreibstoff eingesetzt. Quelle: www.spiegel.de/wissenschaft/technik/0,1518,656774,00.html

Neue Eigenschaften Goldrubinglas im Mittelalter Früher wurde zur Herstellung von Goldrubinglas dem Glasausgangsgemisch fein verteiltes Goldpulver beigefügt.

Nano-Effekte Neue Eigenschaften als Effekte der Nanotechnologie Dimensionsbedingte Eigenschaften (z.B. Nanocarrier in der Medizin) Superhydrophobie (z.B. Lotuseffekt) Hohe spezifische Oberfläche: Erhöhte Reaktivität (z.B. Pyrophores Eisen) Verbesserte mechanische Stabilität (z.B. CNT) Veränderte elektrische & thermische Eigenschaften (z.B. CNT) Veränderte optische Eigenschaften (z.B. Nanogold, Flüssigkristalle) Superparamagnetismus (z.B. Ferrofluide)

5. „Nano“ im Alltag

Nanotechnologie in Konsumprodukten TiO2 als UV-Schutz: Nanopartikel in Sonnencrèmes und Kosmetika SiO2 als Additiv für kratzfeste Lacke und Farben Nano-Silber (antimikrobielle Wirkung & Geruchsunterdrückung Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) eingelagert im Rahmenmaterial zur Erhöhung der Stabilität

Nanotechnologie in Konsumprodukten (März 2011) Quelle: www.nanotechproject.org/inventories/consumer/analysis_draft/

Nanotechnologie in Konsumprodukten (März 2011) Quelle: www.nanotechproject.org/inventories/consumer/analysis_draft/

Nanorama-Loft Quiz www.swissnanocube.ch/nanorama

6. Anwendungsgebiete

Wichtige Anwendungen Anwendungsgebiete Konsumprodukte Energie Automobil Anwendungsgebiete IT, Elektr. Bauindustrie Chemie Medizin Optik Umwelt

7. Nano in der Natur

Nie mehr schmutzig oder warum das Lotusblatt immer sauber bleibt.. „Selbstreinigung“ von Lotusblättern beruht auf der Mikro- und Nanostrukturierung der Blattoberfläche. Wassertropfen perlen ab und reissen dabei Schmutzpartikel mit. Mikrostrukturen mit Nano-Wachs-Kristallen auf der Blattoberfläche (Rasterelektronenmikroskop)

Nie mehr schmutzig Video-Illustration des Lotuseffekts oder warum das Lotusblatt immer sauber bleibt.. Video-Illustration des Lotuseffekts Anwendung des Effekts z.B. in Fassadenfarben (Lotusan) Quelle: www.youtube.com/watch?v=pzGunZ1-POw

Haften ohne Leim oder warum der Gecko nicht von der Decke fällt. Haftstrukturen bestehen aus feinen Härchen (Ø ca. 200 nm) Härchen garantieren optimales Anschmiegen an jede Unterlage Fürs Haften verantwortlich sind die „Van-der-Waals-Kräfte“, die auf Ladungsverschiebungen innerhalb der Atome beruhen. Quelle: www.uni-saarland.de; Abbildung: S. Gorb, MPI für Metallforschung, Stuttgart

Haften ohne Leim Geckos finden auf fast jedem Untergrund Halt. oder warum der Gecko nicht von der Decke fällt. Geckos finden auf fast jedem Untergrund Halt. Durch das „Abrollen“ der Zehen können sie den Kontakt wieder lösen. Quelle: www.max-wissen.de/Fachwissen/show/0/Didaktik/Bionik.html