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Post on 05-Apr-2015
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Seite 1Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien
Einführung | 1 Winzige Welten, wertvolle Wirkungen
1-1 Willkommen im Nanokosmos CC PP BB
Ein Nanometer (nm) ist der milliardste Teil eines Meters.1 nm = 0,000 000 001 m
Untersuchung, Herstellung und Anwendung von Strukturen unter 100 nm
Was ist Nanotechnik?
Seite 2Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien
Einsatzgebiete | 2 Materialien und mehr
2-1 Vorteile im Verborgenen
Anwendungsgebiet Anwendungsbeispiele
CC PP BB
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
Seite 3Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien
Einsatzgebiete | 2 Materialien und mehr
2-2 Übersicht: Nützliche Nano-Effekte PP BBCC
Nanomaterialien
AntifingerprintAntigraffiti
AntibeschlagAntireflex Antimikrobiell
Selbstreinigend / photokatalytisch
Antifouling
Easy-to-Clean / Schmutz abweisend
Lotus-Effect
Leichtbau / Gewichtsreduzierung
UV-Schutz / Sonnenschutz
Korrosionsschutz
FlammschutzBrandschutzVerschleiß-minderung
Kratzfeste Beschichtungen
Reißfestigkeit / Schlagzähigkeit
Optische Effekte
Biologische EffekteMagnetismus
Seite 4Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien
Berufe | 3 Teamwork für technischen Fortschritt
3 Betätigungsfelder in der Nanotechnik
NanotechnikNanotechnik
Informations- und Kommunikations-
technik
Informations- und Kommunikations-
technik
UmwelttechnikUmwelttechnikEnergietechnikEnergietechnik
Material-wissenschaften
Material-wissenschaften
ChemieChemie
BiologieBiologiePhysikPhysik
AnalytikAnalytik MedizinMedizin
Ingenieur-wissenschaften
Ingenieur-wissenschaften
CC PP BB
Seite 5Informationsserie – 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
KathodeWehnelt-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
CC PP BB
Kathode
Anode
Objekt (Probe)
Objektiv*
Zwischenlinse*
Objektivaperturblende
Endbild auf Leuchtschirm
bzw. Fotoplatte
Wehnelt-Zylinder
Projektiv*
Kondensor*
*elektromagnetische Linsen
Vakuum
Bildschirm
Seite 6Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien
Produktion | 5 Werksatt für Winzlinge
5-1 Zwei Wege führen zu Nanostrukturen CC PP BB
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
Seite 7Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien
Produktion | 5 Werksatt für Winzlinge
5-2 Bottom-up: Aus Sol mach Gel
Sol-Gel-ReaktorErzeugung von Nanopartikeln durch Fällungsreaktionen im Sol-Gel-Verfahren
CC PP
Seite 8Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien
Gasphasensynthese Gasphasenreaktor
CC PP
Nukleation Wachstum Aggregation
Vorläufer-Dampf
Oxid-Dampf Kügelchen Verklumpung
Reaktions-bereich /
Flammzone
Keimbildung
Temperatur / Zeit
Produktion | 5 Werksatt für Winzlinge
5-3 Bottom-up: Teilchentreffen in der Gasphase
Seite 9Informationsserie – 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 stattschweißen
Schmutz abweisende Oberflächen
Kratzfeste Beschichtung
(Kunststoffteile)
Wirksamerer Katalysator
Brennstoffzelle 2H2+O2 => 2H2O
Verschleißminderung im Motor
Leichtere, stabilere und elastischere Kunststoffe
Wärme reflektierende Verglasung
Antireflexbeschichtung (Kombiinstrumente)
CC PPPraxis und Perspektiven | 6 Mehr Nutzen im Alltag
6-1 Große Bandbreite: „Nano“ im Automobil
Seite 10Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien
Organische Verbindung
Länge und Breite: je 100–500 nmHöhe: 1 nm
Nanobentonit: Vielseitige Werkstoffe
(1) Organische Modifikation der Oberfläche durch Ionenaustausch
Natriumbentonit „Organo-Ton“
(2) „Entblätterung“ (Exfolierung) der Stapel aus Organobentonit-plättchen und gleichmäßige Verteilung im Kunststoff
CC PP
(3) Flammschutz durch Nanobentonit
Ohne Nanobentonit Mit 5 % Nanobentonit
Praxis und Perspektiven | 6 Mehr Nutzen im Alltag
6-2 Plättchen mit Power-Flammschutz durch Nano-Ton
Seite 11Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien
Lichtbrechung der Perlglanzpigmente
CC
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
(TiO2 oder Fe2O3)
PPPraxis und Perspektiven | 6 Mehr Nutzen im Alltag
6-3 Nano bringt Farbe ins Spiel
Seite 12Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien
Technische Umsetzung des Lotus-Effects Beispiel: Fassadenfarben
Selbstreinigung von LotusblätternBeispiel: 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
CC PP BBPraxis und Perspektiven | 6 Mehr Nutzen im Alltag
6-4 Nano hält sauber
Seite 13Informationsserie – 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“
CC PP BB
Seite 14Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien
PP BB
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
Seite 15Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien
Schema des Zahnaufbaus
Praxis und Perspektiven | 7 Bessere Gesundheitsversorgung
7-3 Nano für Gesundheit und Wohlbefinden
Zahnbehandlung mit Nanomaterialien
CC BB
HydroxylapatitCa5[OH|(PO4)3 ]
Dentin-Kanälchen
Zahnzement
Offenliegendes Dentin
Pulpa
Zahnbein (Dentin)
Zahnschmelz (Enamel)
Dentinkanälchen unter dem Elektronenmikroskop
Vor BehandlungVor Behandlung
Nach BehandlungNach Behandlung
Seite 16Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien
Antireflex-Schicht
CC PP
> 95 %
Photovoltaik-modul oder Sonnenkollektor
Reflexion
Lichtenergieausbeute
> 90 %
Praxis und Perspektiven | 8 Umweltschutz und Energie
8-1 Nano steigert Power
Sonnenlicht
Seite 17Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien
COOH
COOH
Terephthalsäure Zinkoxid
ZnO
PP
Nanowürfel unter dem Raster-Elektronenmikroskop
Praxis und Perspektiven | 8 Umweltschutz und Energie
8-2 Nano in Würfeln: Mehr als sechs Seiten
Komplexbildung
+
CC
Seite 18Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien
PPPraxis und Perspektiven | 8 Umweltschutz und Energie
8-3 Nanokeramik für Hochleistungsbatterien
Keramik von der RolleEine 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
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Aufbau der Li-Ionen-Batterie
CC
Seite 19Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien
Sicherheit | 9 Vorausschauend und verantwortungsvoll handeln
9 Chancen und Risiken der Nanotechnologie CC PP BB
Verhalten von Nanomaterialien in den StufenHerstellung -> 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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