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»Rather than looking for a nanotech market, it is better to look at the effect that nanotechnology has on other areas. It’s like looking at thedonut instead of the hole.«
Oingrong Huang (State University of New Jersey Rutgers) im Interview mit Tim Harper (Cientifica)
Definition der NanotechnologieBMBF (2006)Nanotechnologie beschreibt die Untersuchung, Anwendung und Herstellung von Strukturen, molekularen Materialien und Systemen mit einer Dimension oder Fertigungstoleranz typischerweise unterhalb von 100 Nanometern. Allein aus der Nanoskaligkeit der Systemkomponenten resultieren dabei neue Funktionalitäten und Eigenschaften zur Verbesserung bestehender oder Entwicklung neuer Produkte und Anwendungsoptionen.
Das Auge in die winzige WeltAnalyse- und Manipulationsinstrumente für den nm-Bereich
G. Binnig, H. Rohrer, IBM Zürich
Rasterkraftmikroskop
Hebelarm undatomare Spitze
Laser
Probe auf Piezo-Steuerquarz (x, y, z)
Detektor
Grafik: FCI
1986 erhalten Gerd Binning und Heinrich Rohrer den Nobelpreis für die Entwicklung des Rastertunnelmikroskops Anfang der 1980er-Jahre. Damit ist es erstmals möglich, Oberflächen mit atomarer Auflösung abzubilden.Das Rasterkraftmikroskop ist eine Weiterentwicklung des Rastertunnelmikroskops
Nanotechnologie – Saubere Oberflächen, leichte ReinhaltungPassive Schichten mit niedriger Oberflächenenergie zur Oberflächenreinhaltung
Ziel/ NutzenDurch saubere Oberflächen werden Prozesse sicherer, Produkte optisch ansprech-ender und der Reinigungsaufwand reduziert, Funktionseigenschaften wie z. B. ein guter Wärmedurchgang (Wärmetauscher) können über längere Zeit erhalten werden
Technische GrundlagenEine niedrige Oberflächenenergie wird schon durch sehr dünne Schichten (< 2nm) erzielt, die chemischen Gruppen für niedrige Oberflächenenergie sind unpolar (Alkylgruppen) und teilweise fluoriert. Zur Stabilisierung werden oft Nanopartikel in Lacke eingebaut oder Hybridpolymere eingesetzt
AnwendungsmöglichkeitenAuf nahezu allen Oberflächen möglich.Z.B.: Formenbau, Trennmittel, Einhausungen, Umgang mit Flüssigkeiten in Tanks und Leitungssystemen, für Wärmetauscher und Klimaanlagen; Druckwalzen
EinschränkungenLangzeithaltbarkeit unter starker mechanischer Belastung ist nicht in allen Fällen möglich, allerdings sind Nanoschichten im Vergleich mit konventionellen Schichten (Teflon) meist deutlich besser.
Nanotechnologie – Saubere Oberflächen, leichte ReinhaltungBeispiel für eine farbabweisende nanoskalige Sol-Gel-Schicht für die Beschichtung von Farbwalzen – oben ohne, unten mit Sol-Gel-Schicht
Ziel/ NutzenVerlängerung der Lebensdauer von metallischen Bauteilen: Korrosionsschutz (Konversionsschicht) und Haftgrund für metallische Werkstücke durch nanotechnologische Beschichtung, Ersatz von Cr(VI) für Aluminiumoberflächen zur Vermeidung der Filiformkorrosion Substitution der bisherigen Eisenphosphatierung mit anschließender Passivierung durch gebräuchliche Pulver- und Nasslackierungen. Umweltfreundlicheres Verfahren durch nanotechnologische Beschichtung.
AnwendungsmöglichkeitenKorrosionsschutz (Konversionsschicht) und Haftgrund als Vorbehandlung von Metall-Teilen (z. B. kalt gewalzter Stahl, galvanisierter Stahl, Aluminium, Zink): Reinigung der Teile, Haftgrund für die Lackierung, besseren Korrosionsschutz; Multimetall-Vorbehandlung (Stahl, Alu, Zink).Z.B.: Schutz von Bauteilen in der Produktion mit erhöhter chemischer oder mechanischer Beanspruchung; Verbesserung des Haftgrundierungs- und Konversionsbeschichtungsprozesses in der Produktion.
EinschränkungenFehlende Langzeiterfahrung
Technische GrundlagenKonversionsschicht basiert auf Metalloxiden (Titan, Zirkonium) und komplexen Fluoriden (Zr-oxyfluoroglas ZrOxFy) mit Beschichtungsdicken von 20 bis 30 nm. Nanoskalige Hybridpolymerlacke. Aktiver Korrosionsschutz mit Nanopartikeln.
Ziel/ NutzenVerlängerung der Lebensdauer von Materialien bei hohen und höchsten Temperaturen.
Technische GrundlagenDünne Schichten, Einsatz von Nanopartikeln.Nanoporöse Schichten sind sehr gute Wärmeisolatoren.Dünnstschichten lassen sich sehr leicht umformen.
AnwendungsmöglichkeitenSchutzschichten für Metalle, Stahl.Z.B.: Wärmetauscher, Turbinen, Stahlbleche etc.
EinschränkungenTeilweise Kostenprobleme
Bildquelle:Uni Kassel, Firma Volkswagen,Thyssen-Krupp und Firma Nano-X
Nanotechnologie – Ressourcenschonung / UmweltschutzVerbesserte Luft- und Abwasserreinigung
Ziel/ NutzenEffektivere Reinigung von Abluft und Abwässern, von Raumluft in der Produktion, von Trinkwasser oder von chemischen Hilfsstoffen (Bsp. Altöl).
Technische GrundlagenDünne Schichten, Einsatz von Nanopartikeln, Photokatalytische Reinigung, Einsatz von neuen polymeren Nanofasern als Filtergewebe.
AnwendungsmöglichkeitenVerbesserte Effektivität durch höhere Oberflächen der Nanomaterialien als Schichten, Pulver bzw. Fasern.Z.B.: Schmierölfilterung, Reinluftfiltration
Nanotechnologie – Erhöhung der BetriebssicherheitAntistatische und transparentleitfähige Schichten
Ziel/ NutzenVerhinderung der elektrischen Aufladung von isolierenden Oberflächen z. B. bei Kunststoffen, Transparente Elektroden.
Technische GrundlagenDünne Schichten, Einsatz von Nanopartikeln Transparente Anti-Statik-Beschichtung durch Flammen-CVD mit einer Zinkoxidschicht und Fluor-Dotierung erreicht Widerstand von 10 kΩ. Diese hochohmige Schicht ist für die Ladungsabfuhr ausreichend.Mit Antimon-Zinn-Oxid (ATO) oder Indium-Zinn-Oxid (ITO) lässt sich eine permanente leitfähige Beschichtung auf Kunststoff realisieren. ITO wird für die antistatische Ausrüstung der transparenten Abdeckscheiben von Flachbildschirmen eingesetzt. Modifizierte Hybridpolymere (ORMOCER®e) mit stabil verankerten polaren Gruppen für Antistatik
AnwendungsmöglichkeitenAntistatik für Kunststoffe, Transparent leitfähige Schichten (TCO) für DisplaysZ.B.: Fertigung oder Produktion von Kunststoffteilen bzw. Führung von Kunststoffteilen in Transport- / Schienensystemen.
Nanotechnologie – Erhöhung der BetriebssicherheitAnti-Beschlag-Eigenschaften
Ziel/ NutzenVerhinderung des Beschlagens durch Wasser und damit verbunden Einschränkung der Sicht.
Technische GrundlagenDünne Schichten, Einsatz von Nanopartikeln, Superhydrophile TiO2-Schichten, Hybridpolymere.
AnwendungsmöglichkeitenFür nahezu alle Substrate.Z.B.: Schutzbrillen, Visiere, Einhausung von Anlagen
EinschränkungenKombination mit Kratzfestigkeit bei Kunststoffen teilweise problematisch, Kosten, Langzeitbeständigkeit meist nur bei rein anorganischen Schichten möglich, diese sind aber für Kunststoffoberflächen nicht geeignet oder zu teuer
Nanotechnologie – Erhöhung der BetriebssicherheitGeruchs- und Schadstoffabsorption und -zersetzung
Ziel/ NutzenGeruchs- bzw. Schadstoffminderung z. B. Verringerung der NOx-Belastung
Technische GrundlagenDünne Schichten, Einsatz von Nanopartikeln (Katalytisch aktive bzw. zur Absorption –sehr große Oberflächen), Abbau von organischen Stoffen oder Schadgasen wie NOx oder Formaldehyd
AnwendungsmöglichkeitenWand- und Bodenbeläge, Tapeten, ÖfenZ.B.: Wände, Böden, Gehäuseteile, Öfen
EinschränkungenKatalysatoren teilweise recht teuer, wenig Erfahrung über Langzeitverhalten der Effekte.
Nanotechnologie – Verbesserung der Qualität, QualitätssicherungFälschungssichere Kennzeichnung von ProduktenZiel/ NutzenSicherung des technologischen Vorsprungs durch fälschungssichere Kennzeichnung vonProdukten sowie Verpackungen
Technische GrundlagenZugabe speziell dotierter Nanopartikel (z. B. Fluoreszenzpartikel, Bakteriorhodopsin u. a.) oder Einsatz von Nanomultischichten (Holographische Label)
AnwendungsmöglichkeitenFür alle Produkte sowie VerpackungenZ.B.: Aufdrucke auf Verpackungen, Siegel
EinschränkungenTeilweise noch recht teuer, Integration in Produktionsprozesse noch nicht in allen Fällen möglich.