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Nanomaterialien - Produkte von gestern, heute und morgen
Stand: Januar 2007
Bereits in der Antike und im Mittelalter wurden Nanostrukturen angewendet – damals freilich unbewusst. Die alten Ägypter nutzten nano-feine Rußteilchen zum Anrühren ihrer Tinte. Auch in der Römerzeit spielten Nanoteilchen ein Rolle, und zwar bei der Herstellung von Essgeschirr: Extrem kleine Tonpartikel machten die Oberfläche von Töpferwaren besonders hart und Wasser abweisend. Im Mittelalter erzeugten Glasmacher „Nano-Gold“, indem sie bei der Herstellung von Kirchenfenstern kleine Goldmengen in das Glas einschmolzen. Die so erzeugten Teilchen geben dem berühmten „Rubinglas“ seine schöne weinrote Farbe. Auch heute erleichtern viele Produkte mit Hilfe von Nanomaterialien das Alltagsleben: Hierzu zählen die Wasser abweisende Duschkabine, Sonnencremes mit höherem UV-Schutz, tropffreie Anstrichfarben oder Kabelverkleidungen mit eingebautem Flammschutz. Der Nutzen durch „nano“ entsteht dadurch, dass extrem kleine Teilchen oder Strukturen oft Eigenschaften besitzen, die man bei größeren Körpern nicht beobachten kann. Abhängig von ihrer Größe, Form und Beschaffenheit können diese Materialien dann elektrischen Strom leiten, auf Wunsch magnetisch werden, bei höheren Temperaturen stabil sein, weniger leicht verbiegen oder unter gewünschten Bedingungen dickflüssig werden. Auch neue Farbeffekte lassen sich so erreichen.
Für die Zukunft erwartet man, dass Produkte aus der Nanotechnik noch weit stärker als heute Einzug in unser Alltagsleben halten werden. Sei das zum Beispiel in Form von besseren Produkten zur Behandlung von Krankheiten, neuen Energiespeichern oder leistungsfähigeren Computern. Die folgenden Beispiele sind keine bloße Fiktion. Vielmehr beschreiben Sie mögliche Anwendungen von Ergebnissen, die Forscher schon erzielt haben.
Leiterbahnen wie gedruckt
Basis des heutigen Computerchips ist das chemische Element Silizium, das beispielsweise im normalen Quarzsand vorkommt. Für die Herstellung eines Chip benötigt man rund sechshundert Arbeitsschritte und bis zu vier Wochen Zeit. Nanotechnik erlaubt es nun, elektronische Bauteile buchstäblich aus dem Drucker zu erhalten. Die Hauptrolle spielen dabei Nanoteilchen aus Halbleitermaterialien. Genau wie Tinte können sie mit gängigen Drucktechniken in der Form von Leiterbahnen auf verschiedenen Oberflächen aufgebracht werden. Auch komplexe Elektroniksysteme lassen sich so in Massenfertigung auf großen Flächen aus Papier oder Folie erzeugen. Diese Grundmaterialien sind sich wesentlich leichter wieder zu verwerten als gängige Halbleiterbauteile. Durch die Reduzierung der Arbeitsschritte und die Verwendung geringerer Materialmengen spart man zudem Rohstoffe und Energie. Dies kommt der Umwelt zugute. Computertastaturen aus Papier und elektronische Etiketten für den Produktschutz gibt es schon zu kaufen. Damit sind die Möglichkeiten der gedruckten Elektronik aber noch lange nicht ausgeschöpft. Viele technische Anwendungen, bei denen der Einsatz herkömmlicher Elektronik derzeit noch zu kostspielig ist, könnten in Zukunft unseren Alltag bestimmen. Von der Armbanduhr bis zur Eintrittskarte würden dann z. B. „intelligente Gegenstände“ über Funksignale mit Computern in ihrer Umgebung kommunizieren, um uns das Leben angenehmer zu machen.
Marmor von der Rolle
Ob im Bad, im Waschkeller oder in der Küche: Keramik ist ein beliebtes Verkleidungs- und Dekomaterial. Wer Keramikfliesen selbst verlegt, kennt die Schwierigkeiten beim Zuschneiden, denn Keramik ist bekanntlich hart und spröde. Die Fugen zwischen den Fliesen mögen zudem noch so exakt gearbeitet sein – sie bieten trotzdem Angriffspunkte für Bewuchs mit Bakterien und Schimmelpilzen.
Ein deutsches Chemie-Unternehmen hat mittels Nanotechnik „Marmor von der Rolle“ entwickelt. Dieses Produkt ist biegsam, zugleich widerstandsfähig und lässt sich für individuelle Ansprüche sogar maßschneidern. Die neuartige Wandverkleidung besteht aus maximal vier Schichten: Als Basis dient ein Polymervlies, das mit einer keramischen Metalloxidschicht bedeckt wird. Darauf kann nach Wunsch eine Bedruckung aufgebracht werden. Abschließend werden die unteren Lagen mit einer ebenfalls keramisierten Schutzschicht bedeckt. Das Material ist extrem leicht, kratz- und schlagfest, chemikalienbeständig und stabil gegenüber ultravioletter Sonnenstrahlung. Es widersteht Hitze und Flammen, ist wasserbeständig und gleichzeitig atmungsaktiv. Weil es fugenlos verlegt wird, bieten sich auch weniger Angriffspunkte für Schmutz und Schimmel. Ein weiterer Vorteil liegt in seiner energiesparenden Herstellung. Während ein bestimmter Schritt der Produktion herkömmlicher Keramik 1250° C erfordert, reichen zur Keramisierung des „Marmors von der Rolle“ wegen eines speziellen Verfahrens bereits 250° C aus.
Bildquelle: Degussa AG
Eine saubere Sache
Nanomaterialien helfen dabei, die Luft sauber zu halten: Ein neuartiger Fassadenputz und Wandfarben beseitigen durch Beimischung von Nanoteilchen Schadstoffe und unangenehme Gerüche aus der Raum- oder Außenluft. Die Teilchen lösen in Gegenwart von Sonnenlicht eine chemische Reaktion aus. Je heller es in einem Raum oder auf der Außenseite des Gebäudes ist, desto besser werden Luftschadstoffe und Gerüche abgebaut. Auf diese Weise könnte zukünftig in Großstädten die Belastung der Luft mit Stickoxiden aus Autoabgasen reduziert werden. Chemische Reaktionen unter Lichteinfluss finden auch auf dem Dach statt. Hier können Nanoteilchen auf Dachziegeln Wasser und Luftsauerstoff in Wasserstoffperoxid umwandeln. Schon winzige Mengen dieses Stoffes reichen aus, um ein unschönes Bewachsen der Dachschindeln mit Algen zu unterdrücken. Geht es um saubere Oberflächen, wendet man heute unter anderem den „easy-to-clean“-Effekt an. Er beruht darauf, dass die Oberfläche eine Schicht aus Wasser und Schmutz abweisenden Nanopartikeln trägt. Solche Beschichtungen kommen unter anderem bei Badezimmerkeramiken und Duschkabinenverglasungen zum Einsatz. Auch Metalloberflächen in der Küche oder chirurgische Operationsbestecke lassen sich so leichter reinigen.
Nanofasern – Wunderfilter!
Filter spielen im Umweltschutz eine sehr wichtige Rolle und sind deshalb in vielen industriellen Anwendungen verbreitet. In einem Automobil beispielsweise befinden sich 16 verschiedene Filter. Sie halten nicht nur Partikel aus Flüssigkeiten und Gasen zurück, sondern verhindern auch, dass mechanische Komponenten durch die Ablagerung von Schmutzteilchen verschleißen. Filter bestehen aus einem Gewirr übereinander liegender Fasern, an deren Oberfläche sich Teilchen ablagern können. Die Eigenschaften der Fasern entscheiden darüber, wie wirksam ein Filter ist. Je dünner man eine Faser aus einer definierten Materialmenge herstellt, umso länger wird sie. Je mehr Faserlänge verarbeitet wird, desto größer die Filteroberfläche und damit die Filterleistung. Heute sind die Fasern handelsüblicher Filter bereits dünner als ein Tausendstel Millimeter. Noch feiner geht es dank Nanotechnologie: Wissenschaftler aus Marburg haben gemeinsam mit einem führenden deutschen Filterhersteller ein Material zur Marktreife gebracht, das aus Nanofasern besteht. Die ultradünnnen Fasern werden mit dem Verfahren des „Elektrospinnens“ hergestellt. Dabei wird eine heiße Kunststofflösung oder –schmelze in einem elektrischen Feld zu einem feinen Strahl beschleunigt und, während das Lösemittel verdunstet, immer dünner ausgezogen. Die so erzeugten Nanofasern lassen sich auf vielfältige Weise verarbeiten. Als hauchdünne Schicht auf klassische Filtermedien aufgetragen, verbessern sie die Filterleistung deutlich. Weil herkömmliche Filter durch diese Behandlung nicht dicker werden, kann man mit den Nanofasern bereits vorhandene Filteranlagen ohne großen Aufwand optimieren.
Dicht und sicher dank Nano
Plättchen aus chemisch behandelten Tonmineralien mit nur einem Nanometer Dicke machen Werkstoffe für unseren Haushalt komfortabler oder sicherer. In Kunststoffverpackungen für Lebensmittel bilden sie eine „Nano-Barriere“ gegen das Entweichen von Gasen und Feuchtigkeit. So bleibt beispielsweise die Kohlensäure länger in der Sprudelwasser- oder Limonadenflasche. Auch als Flammschutz kommen die Nano-Tonplättchen zum Einsatz: Fangen herkömmliche Elektrokabel zu schmoren an, kann ihre Kunststoffisolierung als brennendes Material abtropfen und Brandschäden im Haus verursachen. In einem neuen Isoliermaterial, das Nano-Ton enthält, besteht diese Gefahr nicht mehr, weil die Plättchen im Brandfall eine feste Kruste bilden.
Farbe einmal anders betrachtet
Ein Beispiel für besondere Farben durch Nanotechnik findet sich in der Automobilindustrie. Anstelle der herkömmlichen einfarbigen Pigmente werden dem Lack hier mikroskopisch kleine Kieselsäureplättchen beigemischt. Diese Plättchen tragen eine Schicht aus Metallverbindungen von wenigen Nanometern Dicke. Die Schicht beeinflusst die Art und Weise, wie sich Lichtstrahlen auf den Plättchen verhalten. Deshalb erscheint die Fahrzeugkarosse zum Beispiel von schräg vorne betrachtet rot, von schräg hinten gesehen dagegen grün. Wenn man die Schichtdicke verändert und herkömmliche Farbstoffe beimischt, kann man den Farbverlauf sogar in fast jeder gewünschten Weise bestimmen. Nanomaterialien verleihen dem Fahrzeug also einen „besonderen Anstrich“.
Präzisionsmedizin in kleinsten Dimensionen
Die Behandlung von Krebs wird langfristig eines der wichtigsten Ziele der Medizin bleiben. Weil es sehr viele verschiedene Krebsarten gibt, sind individuelle Behandlungsansätze erforderlich. Heutige Therapieformen wie Bestrahlung oder Chemotherapie sind nicht immer wirksam und schädigen zudem auch gesundes Gewebe. Mediziner sind sich darüber einig, dass die Therapie der Zukunft Krebszellen gezielt und direkt treffen muss. Deshalb setzt man in medizinischen Studien zunehmend auf Nanoteilchen oder Nanobehälter, deren Oberfläche mit biologischen Stoffen so beschichtet wird, dass sie an Krebszellen andocken oder sogar in diese eindringen können. Weiterhin kann man die „Nanotransporter“ mit Wirkstoffen beladen, die Krebszellen abtöten oder die Bildung von Blutgefäßen zur Versorgung des Krebsgeschwürs unterdrücken. In Studien zur Behandlung von Hirntumoren hat man bereits erste viel versprechende Ergebnisse erzielt. Hierbei wurden die Patienten mit speziell beschichteten, magnetischen Nanoteilchen behandelt, die sich nur im Krebsgeschwür anreichern. Wird dann ein schnell wechselndes Magnetfeld angewendet, erhitzen die Teilchen den Tumor und töten ihn ab.
Kleben auf Knopfdruck
Klebstoffe kommen im Automobilbau heute immer häufiger zum Einsatz: Gegenüber dem Schweißen haben sie den Vorteil, dass man mit Ihnen Metalle und Kunststoffe verbinden kann. So tragen sie dazu bei, Autos leichter zu machen. Die bislang verwendeten Klebstoffe müssen allerdings in speziellen Pressen bei hohen Temperaturen minutenlang ausgehärtet werden. Das kostet in der Produktion wertvolle Zeit und verbraucht außerdem Energie, denn nicht nur der Kleber wird erhitzt, sondern auch das Werkstück. Ein deutsches Unternehmen hat deshalb im Labor einen neuen Kleber entwickelt. Sein Herzstück: Nanoteilchen aus Eisenverbindungen. Statt Hitze wirkt hier Magnetismus als Auslöser für den Klebeprozess. Legt man gezielt und auf kleinem Raum ein schnell wechselndes Magnetfeld an die Klebefläche an, schwingen die Teilchen wie kleine Kompassnadeln hin und her und erhitzen sich dabei; der Kleber härtet so sehr schnell aus. Vorteil durch Nano für den Autohersteller der Zukunft: Weil nicht mehr das ganze Werkstück erhitzt wird, spart man kostbare Energie. Durch die schnelle Härtung des Klebers kann die Produktion beschleunigt werden. Umgekehrt lässt sich der Kleber auf demselben Weg wieder lösen. Dies erleichtert sowohl Reparaturen, als auch das Recycling der Automobilteile.
Leistung von der Rolle
In Laptops, Handhelds, Mobiltelefonen und anderen Geräten sorgt zunehmend eine kleine, kompakte Lithium-Ionen-Batterie für Power. Sie ist leichter und gleichzeitig leistungsfähiger als ihre Konkurrenten aus Blei oder Nickel-Cadmium. Beim Einsatz großer Lithium-Ionen-Batterien im Automobil gibt es derzeit allerdings noch ein Sicherheitsproblem, denn sie kann beim Aufladen explodieren. Das liegt an dem bisher verwendeten Trennmaterial zwischen Minus- und Pluspol, dem Separator. Er besteht aus Kunststoff und kann schmelzen, wenn sich die Batterie beim Laden überhitzt. Deshalb hat ein Unternehmen mittels Nanotechnik einen Separator aus einer Keramik beschichteten Polymer-Membran entwickelt, der nicht schmilzt. Seit Anfang 2006 wird die neue Folie rollenweise in Massenproduktion hergestellt. Erst durch die neue Membran wird der Einsatz von großen Lithium-Ionen-Batterien in elektronischen Geräten und im Automobil möglich. Denn als wichtiger Bestandteil macht sie den Einsatz von leistungsstarken Lithium-Ionen-Batterien in Hybrid-Elektro-Fahrzeugen möglich und kann so diesen umweltfreundlichen Automobilen den Weg in den Markt ebnen. Hybrid-Elektro-Fahrzeuge sind eine Sprit sparende und Umwelt schonende Alternative zum Benzinmotor, denn sie verbrauchen bis zu 25 Prozent weniger Benzin und produzieren deutlich weniger Abgase.
Superspeicher Nanowürfel
Laptops und Handys werden nicht nur immer kleiner, sondern auch immer leistungsfähiger. Dieser Entwicklung müssen Batterien und Akkus ständig angepasst werden. Für viele Anwender ist die Speicherkapazität herkömmlicher Energieträger schon heute nicht mehr ausreichend. Große Erwartungen setzen Hersteller und Verbraucher daher in die Brennstoffzelle. Für die Energiegewinnung mit Brennstoffzellen muss derzeit durch einen so genannten Reformer zunächst aus Benzin oder Ethanol durch eine chemische Reaktion Wasserstoff freigesetzt werden.. Bei seiner Reaktion mit Sauerstoff zu Wasser – aus dem Chemieunterricht als „Knallgasreaktion“ bekannt – wird eine große Menge nutzbarer Energie frei. Der direkte Betrieb der Brennstoffzelle mit reinem Wasserstoff hingegen wäre eine weniger aufwändige und saubere Alternative. Hierfür muss der Wasserstoff aber bis zur Nutzung risikolos gespeichert und kostengünstig verfügbar gemacht werden können. Genau an diesem Punkt stoßen herkömmliche Technologien an ihre Grenzen, denn Wasserstoff wird erst bei minus 253 Grad und einem Druck von 300 bar flüssig. Durch die „Nanowürfel“ eines deutschen Unternehmens könnte diese Hürde bald überwunden sein. Die mikroskopisch kleinen Würfel bestehen aus einem löchrigen Gitter aus Metallverbindungen und organischen Stoffen. In ihren zahlreichen Nanoporen besitzen sie eine enorme Aufnahmefähigkeit für Gase. Nur zweieinhalb Gramm der Würfel besitzen in ihrem Porennetzwerk die Fläche eines Fußballfeldes – viel Platz zur Speicherung von Wasserstoff. Er lagert sich als dünne Schicht an der Porenwand ab. Durch eine schnelle Druckerniedrigung erlangt er die Eigenschaften eines Gases zurück und wird deshalb aus den Würfeln vollständig wieder abgegeben. Auf dieser Grundlage könnten Minibrennstoffzellen verwirklicht werden, die kleiner, leichter und leistungsfähiger sind als heutige Batterien und Akkus. Zehn Stunden Dauerbetrieb wären dann für einen Notebook-PC der Normalzustand.
Farbfilme auf der Folie
Man findet Sie nicht nur beim Verkehrsleitsystem auf der Autobahn, in der Miniatur-Taschenlampe oder im Laptop-Display: Die Rede ist von Leuchtdioden (LCDs). Obwohl sie extrem hell und energiesparend sind, lassen Sie sich nicht unbeschränkt einsetzen. Nachteile zeigen sich beispielsweise im Laptop, wo LCDs als Hintergrundbeleuchtung eingesetzt werden. Die Farben und Kontraste sind nur in bestimmten Blickwinkeln stark. Hier versprechen die so genannten OLEDs technische Verbesserungen – Dioden mit organischen Schichten von rund 100 nm Dicke, die zwischen Plus- und Minuspol gepresst werden. Daraus entspringt Licht in allen Farben. Mit diesem Material können Bauteile gefertigt werden, welche die geringe Dicke, große Fläche und Biegsamkeit von Kunststofffolien mit der Leuchtkraft und Energieersparnis von LCDs vereinigen. OLED-Displays geben brillante Farben und liefern auch bewegte Bilder extrem schnell. Selbst aus flachen Winkeln betrachtet erscheint das Bild gestochen scharf. In nicht allzu ferner Zukunft könnte man deshalb vielleicht seinen Laptop-Bildschirm einfach zusammenrollen.
Nano-Röhren für Giga-Rechner
In der Computerindustrie ist die Verkleinerung von Schaltkreisen Trumpf, denn bei zunehmend kleineren Bauteilen können pro Flächeneinheit eines Computerchips immer mehr Daten verarbeitet und gespeichert werden. 1995 war ein Transistor auf einem Computerchip noch 0,2 mm groß, heute misst er weniger als 100 nm. Will man noch kleinere Transistoren herstellen, stößt man mit dem derzeit verwendeten Halbleitermaterial Silizium an physikalische Grenzen. Hier können Nanomaterialien die Tür zu noch kleineren Schaltkreisen öffnen. Im Jahr 2005 gelang es Forschern eines deutschen Unternehmens mit Kohlenstoff-Nanoröhren den bislang kleinsten Transistor der Welt zu bauen. Diese Nanoröhren bestehen aus dem gleichen Material wie Bleistiftminen. Sie sind aus Kohlenstoffatomen aufgebaut und ähneln einer Rolle Maschendrahtzaun mit sechseckigem Wabenmuster. Ihre Besonderheit: je nachdem, wie der „Maschendraht“ gewickelt ist, können sie Strom leiten. Die Röhrchen transportieren elektrische Ladungen nahezu ohne Reibung auf ihrer Oberfläche und sind bis zu tausendmal belastbarer als ein Kupferdraht. In Messungen mit dem Nano-Transistor konnte zehnmal mehr Strom bei geringerer Spannung geleitet werden. Die Forscher sind deshalb zuversichtlich, dass in Zukunft noch kleinere Transistoren als heute realisierbar sind.
Bildquellen:
Leitartikel : www.nanotruck.de
Leiterbahnen wie gedruckt , Marmor von der Rolle , Kleben auf Knopfdruck , Leistung von der Rolle : Degussa AG
Eine saubere Sache : Need Communication
Nanofasern – Wunderfilter! : Hollingsworth & Vose GmbH
Dicht und sicher dank Nano : Süd Chemie
Farbe einmal anders betrachtet : MERCK KGaA
Präzisionsmedizin in kleinsten Dimensionen : Michigan Center for Biologic Nanotechnology
Superspeicher Nanowürfel : BASF AG
Nano-Röhren für Giga-Rechner : Bayer AG
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