Transcript Nanomaterialien_Abbildungen

Einführung | 1 Winzige Welten, wertvolle Wirkungen
1-1 Willkommen im Nanokosmos
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Was ist Nanotechnik?
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
Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien
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Einsatzgebiete | 2 Materialien und mehr
2-1 Vorteile im Verborgenen
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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
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Einsatzgebiete | 2 Materialien und mehr
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2-2 Übersicht: Nützliche Nano-Effekte
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Nanomaterialien
Antireflex
Antimikrobiell
Antigraffiti
Antifingerprint
Magnetismus
Optische Effekte
Reißfestigkeit /
Schlagzähigkeit
Biologische Effekte
Leichtbau /
Gewichtsreduzierung
Verschleißminderung
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Antifouling
Selbstreinigend /
photokatalytisch
UV-Schutz /
Sonnenschutz
Kratzfeste
Beschichtungen
Brandschutz
Antibeschlag
Easy-to-Clean /
Schmutz abweisend
Lotus-Effect
Korrosionsschutz
Flammschutz
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Berufe | 3 Teamwork für technischen Fortschritt
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3 Betätigungsfelder in der Nanotechnik
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Chemie
Physik
Biologie
Analytik
Medizin
Nanotechnik
Materialwissenschaften
Ingenieurwissenschaften
Energietechnik
Umwelttechnik
Informations- und
Kommunikationstechnik
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Forschung | 4 Augen und Finger im Unsichtbaren
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4 Neue Erkenntnisse – neue Analyseverfahren
TransmissionsElektronenmikroskop (TEM)
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Raster-Elektronenmikroskop (REM)
Kathode
Wehnelt-Zylinder
Vakuum
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Anode
Kondensor*
Kathode
Wehnelt-Zylinder
Vakuum
Anode
Kondensor*
Ablenkspulen (x, y)
Objekt (Probe)
Bildschirm
Objektiv*
Objektiv*
Probe
Detektoren für:
Sekundärelektronen (SE)
Rückstreuelektronen (RE)
Objektivaperturblende
Zwischenlinse*
Rasterkraftmikroskop
Detektor
Laser
Projektiv*
Hebelarm und
atomare Spitze
Endbild auf
Leuchtschirm
bzw. Fotoplatte
*elektromagnetische Linsen
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Probe auf Piezo-Steuerquarz (x, y, z)
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Produktion | 5 Werksatt für Winzlinge
5-1 Zwei Wege führen zu Nanostrukturen
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Bottom-up: „von unten nach oben“
Aufbau von komplexen Strukturen aus einzelnen Atomen oder Molekülen
Verfahren
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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
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Produktion | 5 Werksatt für Winzlinge
5-2 Bottom-up: Aus Sol mach Gel
Erzeugung von Nanopartikeln
durch Fällungsreaktionen im
Sol-Gel-Verfahren
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Sol-Gel-Reaktor
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Produktion | 5 Werksatt für Winzlinge
5-3 Bottom-up: Teilchentreffen in der Gasphase
Gasphasensynthese
Nukleation
VorläuferDampf
OxidDampf
Wachstum
Kügelchen
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Gasphasenreaktor
Aggregation
Verklumpung
ReaktionsKeimbildung
bereich /
Flammzone
Temperatur / Zeit
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Praxis und Perspektiven | 6 Mehr Nutzen im Alltag
6-1 Große Bandbreite: „Nano“ im Automobil
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Einsatzmöglichkeiten von Nanomaterialien
Vom Blickwinkel
abhängige Farbe
Leichtere, stabilere und
elastischere Kunststoffe
Antireflexbeschichtung
(Kombiinstrumente)
Kratzfeste Lacke
Wärme reflektierende
Verglasung
Verschleißminderung im
Motor
Kleben statt
schweißen
Kratzfeste
Beschichtung
(Kunststoffteile)
Brennstoffzelle
2H2+O2 => 2H2O
Wirksamerer
Katalysator
Nano-Rußpartikel für
bessere Haftung
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Elektrochrome Rückspiegel
(tönen sich auf ein elektrisches
Signal hin)
Schmutz abweisende
Oberflächen
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Praxis und Perspektiven | 6 Mehr Nutzen im Alltag
6-2 Plättchen mit Power-Flammschutz durch Nano-Ton
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Nanobentonit: Vielseitige Werkstoffe
(1) Organische Modifikation der Oberfläche durch Ionenaustausch
Natriumbentonit
Organische Verbindung
(3) Flammschutz durch Nanobentonit
„Organo-Ton“
(2) „Entblätterung“ (Exfolierung) der Stapel aus Organobentonitplättchen und gleichmäßige Verteilung im Kunststoff
Ohne Nanobentonit
Mit 5 % Nanobentonit
Länge und Breite: je 100–500 nm
Höhe: 1 nm
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Praxis und Perspektiven | 6 Mehr Nutzen im Alltag
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6-3 Nano bringt Farbe ins Spiel
Lichtbrechung der
Perlglanzpigmente
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Winkelabhängigkeit
der Farbe
Nanometer
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).
Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien
MetalloxidBeschichtung
(TiO2 oder Fe2O3)
Siliziumdioxidplättchen
Durch die unterschiedlichen Wegstrecken
des Lichtstrahls entstehen unterschiedliche
Interferenzfarben, abhängig vom Betrachtungswinkel.
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Praxis und Perspektiven | 6 Mehr Nutzen im Alltag
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6-4 Nano hält sauber
Selbstreinigung
von Lotusblättern
Beispiel: Farbstoffe
Mikrostrukturen mit NanoWachs-Kristallen auf der
Blattoberfläche
Oberfläche mit Lotus-Effect
Wasser
Schmutzpartikel
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Technische Umsetzung
des Lotus-Effects
Beispiel: Fassadenfarben
Glatte Oberfläche (Easy-to-clean)
Wasser
Schmutzpartikel
Schmutzpartikel haften
besser am Wassertropfen als an der
Oberfläche und werden dadurch entfernt
Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien
Schmutzpartikel werden
durch Wasser nur verlagert
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Praxis und Perspektiven | 7 Bessere Gesundheitsversorgung
7-1 Magnetische Nanopartikel
Der „Rosensweig-Effekt“
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„Igelstruktur“
eines Ferrofluids
Magnetische Flüssigkeiten
sind kolloidale Dispersionen
von magnetischen Nanopartikeln in einer Trägerflüssigkeit, z. B. Wasser
Ferrofluid
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Praxis und Perspektiven | 7 Bessere Gesundheitsversorgung
7-2 Krebsbekämpfung mit magnetischen Nanopartikeln
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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
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Praxis und Perspektiven | 7 Bessere Gesundheitsversorgung
7-3 Nano für Gesundheit und Wohlbefinden
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Zahnbehandlung
mit Nanomaterialien
Hydroxylapatit
Ca5[OH|(PO4)3 ]
Vor Behandlung
Schema des Zahnaufbaus
Zahnschmelz (Enamel)
Zahnbein (Dentin)
Pulpa
Dentinkanälchen unter
dem Elektronenmikroskop
Offenliegendes Dentin
Nach Behandlung
Zahnzement
Dentin-Kanälchen
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Praxis und Perspektiven | 8 Umweltschutz und Energie
8-1 Nano steigert Power
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Sonnenlicht
Reflexion
AntireflexSchicht
Photovoltaikmodul oder
Sonnenkollektor
> 90 %
> 95 %
Lichtenergieausbeute
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Praxis und Perspektiven | 8 Umweltschutz und Energie
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8-2 Nano in Würfeln: Mehr als sechs Seiten
Nanowürfel unter dem
Raster-Elektronenmikroskop
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COOH
+
ZnO
COOH
Komplexbildung
Terephthalsäure
Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien
Zinkoxid
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Praxis und Perspektiven | 8 Umweltschutz und Energie
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8-3 Nanokeramik für Hochleistungsbatterien
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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
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Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien
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Sicherheit | 9 Vorausschauend und verantwortungsvoll handeln
9 Chancen und Risiken der Nanotechnologie
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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
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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
Informationsserie – Wunderwelt der Nanomaterialien
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