Grundlagen-Modul

1. Grundlagen-Modul Gesamtversion

2. 1. Wie klein ist „nano“?

3. 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)

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

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

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

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

8. 2. Definitionen

9. Was ist Nanotechnologie? • Die Nanotechnologie … • … beinhaltet Forschung und technologische Entwicklung im Bereich von1 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

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

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

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

13. 3. Herstellung

14. 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

15. 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

16. 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

17. 4. Warum „nano“?

18. 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

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

20. 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)

21. 5. „Nano“ im Alltag

22. 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

23. Nanotechnologie in Konsumprodukten 1317 Produkte (März 2011) Quelle: www.nanotechproject.org/inventories/consumer/analysis_draft/

24. Nanotechnologie in Konsumprodukten 565 Produkte (März 2011) Quelle: www.nanotechproject.org/inventories/consumer/analysis_draft/

25. Nanorama-Loft Quiz www.swissnanocube.ch/nanorama

26. 6. Anwendungsgebiete

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

28. 7. Nano in der Natur

29. 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)

30. Nie mehr schmutzig 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

31. 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

32. Haften ohne Leim 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