NanoProduktion. Innovationspotenziale für hessische Unternehmen durch Nanotechnologien in Produktionsprozessen

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1 Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung NanoProduktion Innovationspotenziale für hessische Unternehmen durch Nanotechnologien in Produktionsprozessen Hessen Nanotech

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3 NanoProduktion Innovationspotenziale für hessische Unternehmen durch Nanotechnologien in Produktionsprozessen Band 6 der Schriftenreihe der Aktionslinie Hessen-Nanotech

4 Impressum NanoProduktion Innovationspotenziale für hessische Unternehmen durch Nanotechnologien in Produktionsprozessen Band 6 der Schriftenreihe der Aktionslinie Hessen-Nanotech des Hessischen Ministeriums für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung Erstellt von: Dr. Karl-Heinz Haas Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC), Würzburg Daniel Heubach Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft und Organisation (IAO), Stuttgart Redaktion: Dr. Rainer Waldschmidt, Sebastian Hummel (Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung) Alexander Bracht, Markus Lämmer (Hessen Agentur, Hessen-Nanotech) Siehe Abb. 7 (Quelle: Herausgeber: HA Hessen Agentur GmbH Abraham-Lincoln-Straße Wiesbaden Telefon Telefax Der Herausgeber übernimmt keine Gewähr für die Richtigkeit, die Genauigkeit und die Vollstän digkeit der Angaben. Die in der Veröffentlichung geäußerten Ansichten und Meinungen müssen nicht mit der Meinung des Herausgebers übereinstimmen. Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung Kaiser-Friedrich-Ring Wiesbaden Vervielfältigung und Nachdruck auch auszugsweise nur nach vorheriger schriftlicher Genehmigung. Gestaltung: WerbeAtelier Theißen, Lohfelden Druck: Werbedruck GmbH Horst Schreckhase, Spangenberg 1. Auflage Juli , unveränderte Auflage November 2011 Abbildungen Titel: Andreas Fischer, Kassel Unten (von links): Fraunhofer-ISC; Quelle: Firma Sensitec, Broschüre Hessen Nano im Automobilbau

5 Inhalt Aktionslinie Hessen-Nanotech... 2 Vorwort... 3 Motivation NanoProduktion... 6 Einleitung Was sind Nanotechnologien?... 8 Verfahren zur Herstellung von Nanomaterialien und -halbzeugen Handhabung und Analytik von Nanotechnologien Anwendungen und Chancen der Nanotechnologien in der Produktion Innovationspotenziale für hessische Unternehmen Quellen, Literatur, Studien Anhang

6 Hessen Nanotech Aktionslinie Hessen-Nanotech Die Aktionslinie Hessen-Nanotech des Hessischen Ministeriums für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung bündelt und koordiniert die Aktivitäten des Landes Hessen im Bereich der Nano- und Materialtechnologie sowie der angrenzenden Felder der Ober flächentechnologie, der Mikrosystemtechnologie und der Photonik. Die bei der landeseigenen Wirtschaftsförderungsgesellschaft HA Hessen Agentur GmbH angesiedelte Aktionslinie hat das Ziel, die Wettbewerbsfähigkeit hessischer Technologie- und Dienstleistungsunternehmen weiter zu stärken. Dazu werden Kompetenzen, Erfahrungen und Potenziale des Wirtschaftssektors dar gestellt und weiterentwickelt. Eine wichtige Rolle spielt dabei die Vernetzung von Technologieanbietern und -anwendern. Aufgaben der Aktionslinien sind auch das Technologie- und Standortmarketing, die Organisation des Informationsaustauschs und die Informationsvermittlung sowie die Förderung der Netzwerkbildung. 2

7 Vorwort Nanotechnologie kann in nahezu allen Produktionsbereichen eine Hebelfunktion übernehmen und Wettbewerbsvorteile sichern. Kleinste Strukturen erzeugen, analysieren, modifizieren und damit Zusatznutzen und Effektivitätssteigerungen erreichen all dies können auch kleine und mittelständische Unternehmen umsetzen. Diese Broschüre zeigt, wie das mit vertretbarem Aufwand möglich ist. Für die Produktion im 21. Jahrhundert gelten Nanotechnologien weltweit als Innovationstreiber. Deutschland ist in der Forschung auf diesem Gebiet derzeit führend. Um eine schnelle Umsetzung der Ergebnisse in die industrielle Produktionspraxis zu erreichen, müssen Forschungseinrichtungen und Industrieunternehmen eng zusammenarbeiten. Darum wollen wir die Stärken Hessens in der Produktion mit seinen Stärken in der Nano-Forschung verknüpfen. Für Unternehmen kann die Integration der Nanotechnologien in die Herstellung einen entscheidenden Schub hin zu Hochleistungsprodukten und innovativen Verfahren bringen und damit Wettbewerbsvorsprünge sichern und ausbauen. Nur wenn es in Zukunft gelingt, durch Hightech- Produkte und -Verfahren eine wirtschaftlich effiziente Produktion zu ermöglichen, können heimische Arbeitsplätze bis hinein in den Dienstleistungssektor erhalten und gesichert werden. Dieter Posch Hessischer Minister für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung 3

8 Motivation Abbildung 1: Anwendungsbeispiele der NT in einer Produk tions - umgebung (Spritzgussverarbeitung) Antibakteriell bzw. Easy-to-Clean ausgerüstete Oberflächen (Lebensmittel, Pharma, Medizintechnik), Geräte, Wände, Böden Nanotechnologien haben Konjunktur. Nano ist in. Was sich im Kleinstmaßstab abspielt, erlebt derzeit einen regelrechten Hype: Dem Winzigen gehört die Zukunft, heißt es allenthalben über Nanotechnologien (NT). Von Übertreibungen der Medien abgesehen unter Fachleuten ist unstrittig, dass NT als DIE Schlüsseltechnologien für das 21. Jahrhundert schlechthin gelten dürfen, mit Aus wir - kungen auf nahezu alle Industriebereiche. Innovative Antworten auf Fragen aus der Praxis. Aber gilt dies auch für Ihr Unternehmen? Wie können NT in der Produktion eingesetzt werden also Verfahren, um kleinste Strukturen zu erzeugen, zu analysieren und zu modifizieren? Inwiefern kann schiere Größe oder eben: Kleinheit überhaupt eine eigene Qualität erlangen? Und wann ist sie produktionsrelevant? Gibt es bereits aktuelle Belege dafür, dass Produktionsprozesse durch NT effizienter werden oder kommen Sie erst in fünf, zehn, gar zwanzig Jahren mit NT in Berührung? Lohnt es sich, schon jetzt auf NT zu setzen oder vielleicht gerade jetzt? Können Sie mit NT neuartige Güter herstellen, die mit konventionellen Verfahren nicht möglich sind? Gibt es bereits einen Markt für NT-Produkte und wie werden sich Angebot und Nachfrage entwickeln? Sensoren/ Aktuatoren Geruchsabsorbierende Schichten/Abluftreinigung Robuste Touch-Screen Displays Wirtschaftliche Potenziale der NT nutzen. Die vorliegende Broschüre soll Ihnen helfen, einen Überblick über Verwertungsmöglichkeiten zu gewinnen, welche die NT bereithalten. Vor allem kleine und mittelständische Unternehmen sollen in die Lage versetzt werden, die wirtschaftlichen Potenziale der NT zu erkennen und für sich zu nutzen. Die Publikation gibt Ihnen erste Informationen an die Hand, um innovative Technologien zu beurteilen, die nötigen Ressourcen aufzubauen und geeignete Kooperationspartner zu finden. Sie werden mit den wichtigsten NT-Verfahren vertraut gemacht: Wie Nanomaterialien hergestellt werden, die als Ausgangsbasis für weitere NT-Anwendungen dienen, wie man diese Grundbausteine verarbeitet und wie man ihre Eigenschaften überprüft. Nicht zuletzt wird der Nutzen diskutiert, der aus neuen Produkteigenschaften, effizienteren Herstellungsprozessen und verminderten Kosten resultiert. Alle Anwendungen werden anhand aktueller Bei - spiele erläutert. Eine Vielzahl von Tabellen bietet eine kompakte Übersicht über die relevanten Informationen; zahlreiche Abbildungen veranschau li chen die komplexen Zusammenhänge. Die Darstellung orientiert sich an Fragestellungen aus der industriellen Praxis, auf die sich NT anwenden lassen. In Tabelle 1 sind eine Reihe solcher Themen aufgeführt. Wenn eine dieser Fragen für Ihr Unternehmen relevant ist, dann kann es sich lohnen, sich mit dem Einsatz von NT zu befassen. Am Beispiel des Spritz - gießens zeigt Abbildung 1 exemplarisch die Anwendungsbreite der NT in einer Produktionsumgebung. Praktisch jedes Unternehmen kann von dem Inno vations - potenzial der NT profitieren die Broschüre zeigt, wo. Antireflex-/Antifogging/ Kratzfestschichten für Verscheibungen Abwasserreinigung (Photokatalyse, Nanomembranen) Zugabe von Nanopartikeln zur verbesserten Fliessfähigkeit der Polymerschmelze Antihaftschichten und Verschleissschutzschichten für Werkzeuge 4

9 FRAGESTELLUNGEN BEISPIELE KAP. Soll der Reinigungsaufwand von Geräten und Maschinen verringert werden? Antihaftbeschichtungen, selbstreinigende Schichten (Photokatalyse) Soll die Hygiene (Arbeitsoberflächen, Arbeitskleidung, Böden, Luft) verbessert werden? Soll die chemische und thermische Beständigkeit von Metallen verbessert werden? Soll die Standzeit von Werkzeugen verlängert werden? Robustere Kunststoffoberflächen (transparente Polymere) Erhalt bzw. Verbesserung von Optik / Haptik / Design im Gebrauch (Verhindern von Beschlagen durch Feuchte, Fingerspuren auf hochglänzenden Flächen oder Kunststoffen) Soll der Lösemitteleinsatz zur Res sourcenschonung reduziert werden? Soll die Abwasserbelastung verringert werden? Soll die Arbeitssicherheit verbessert werden? Soll die Dichtheit erhöht werden? Soll die Online-Kontrolle von Pro duktionsprozessen verbessert werden? Soll die Genauigkeit (Dosieren, Entleeren) erhöht werden? Soll die Fälschungssicherheit von Produkten verbessert werden? Antimikrobielle / -bakterielle Ausrüstung, photokatalytisch aktive Wände , oder Böden, geruchs- bzw. schadstoffabsorbierende Schichten, Filter Korrosionsschutzschichten 4.3.1, Thermische Schutzschichten Tribologische Schutzschichten (Nanokomposite oder Mehrfachschichten) Erhöhung der Kratzfestigkeit mit Nanokompositlacken Antifogging / Antifingerprint, Anti reflex, transparent leitfähige Schichten , für robuste Touch-Screen-Displays Nanodünnschichten 5.3 Einsatz von Nanofilterfliesen, Nanopartikel für Abwasserreinigung, Photokatalyse Antistatische Ausrüstung von Kunststoffen, Brandschutzlacke mit Nano , 4.4.1, partikeln, Wärme- und Schallschutz, Elektromagnetische Abschirmung Barriereschichten mit Nanofüllern, Hybridpolymerlacke Nanosensoren Nanomanipulatoren, 4.5.2, Antihaftschichten für Behälter Einsatz von speziell markierten Nanopartikeln im Produkt oder in der Verpackung Nano-Produktion ist eine große Chance für den Wirtschaftsstandort Deutschland. Dabei kann auf starke und erfolgreiche Basistechnologien zurück gegriffen werden: Eine starke produk tions- und verfahrenstechnische Industrie, ge paart mit hohem materialwissenschaftlichen Knowhow in Theorie und Anwendung bildet eine erste Vor - aussetzung. Wenn jetzt noch systemtechnisches Wissen dazu kommt, zusammen mit der Bereitschaft, die in der Vergangenheit richtigen Grenzen von Fachgebieten zu verlassen, damit neue Kombination von Wissen entstehen, dann sind die Rahmenbedingungen für marktfähige Innovationen durch Nanotechnologien in Produktionsprozessen gelegt. Die Zukunft wird zeigen, dass ausgehend von dieser Basis, mit Nanotechnologien in Produktionsprozessen wir nicht nur im internationalen Technologiewettbewerb erfolgreich bestehen, sondern auch zukünftige Kundenanforderungen und politische Nachhaltigkeitsziele erfüllen können. Soll Energie durch Reduktion der Verwendung / Einsatz von nanoskali- 4.6 Prozesstemperaturen eingespart gen Pulvern, Zugabe von Nanofüll - werden? stoffen zu Polymeren zur verbesser- Soll die Effektivität von Fügeprozessen gesteigert werden? ten Fließfähigkeit Einsatz von Klebern mit nanoskaligen Partikeln bzw. Nanopulver für thermische Fügeverfahren 4.6 Klaus Zimmer VDMA Fachverband Micro Technology 5

10 NanoProduktion Starke Effekte Nanotechnologien (NT) wirken in der Industrieproduktion als Hebel: Mit überschau ba - rem Aufwand lässt sich eine weitreichende Wirkung erzielen. Die Grundlage bilden neue Materialeigenschaften sowie effizientere Verfahren mit doppeltem Ertrag: Einerseits lassen sich etablierte Produkte einfacher und preisgünstiger erzeugen; die beteiligten Prozesse werden mit Hilfe von NT optimiert oder gleich neu gestaltet. Andererseits ermöglichen NT gänzlich neue Produkte. Die vorliegende Broschüre stellt die vielfältigen Möglichkeiten anhand konkreter Bei spiele vor und gibt Anregungen, wie Unter nehmen von NT profitieren können. dank kleinsten Maßstabes. Nanotechnologien setzen in einem Größenbereich an, der bei einigen millionstel Millimetern liegt. Viele Stoffe ändern im Nano-Maßstab ihre gewohnten Eigenschaften, zum Beispiel Schmelzpunkt, Härte oder Wärmeleitfähigkeit ein Umstand, den man sich technisch zunutze machen kann. Wie gut sich NT anwenden lassen, ist von Branche zu Branche verschieden. Zum Teil sind die neuen Verfahren bereits fest etabliert, etwa bei der Produktion von Beschichtungen, Fahrzeugreifen oder Lacken. In anderen Fällen besteht noch Forschungsbedarf. Kapitel 1 gibt eine allgemeine Einführung in die NT, die sowohl auf die naturwissenschaftlichen Grundlagen eingeht, als auch deren wirtschaftlichen Potenziale skizziert. Unternehmen können auf drei erlei Arten von NT profitieren: Indem sie Nanomaterialien herstellen, die als Basis für die Weiterverarbeitung dienen. Es gibt grundsätzlich zwei Ansätze, um Nanomaterialien zu produzieren: Entweder werden diese aus ihren molekularen Bestandteilen zusammengefügt (Bottom-Up-Prinzip); oder man setzt trennende Verfahren ein, um größer strukturierte Ausgangsstoffe weiter zu miniaturisieren (Top-Down-Prinzip). Einige Methoden werden seit Jahrzehnten großtechnisch eingesetzt, zum Beispiel das Polieren von Oberflächen bei Computerchips. Kapitel 2 bietet eine Übersicht über die wichtigsten Techniken, mit denen sich Nanopartikel, Fasern, Schichten und Komposite erzeugen lassen. Nanotechnologische Analysemethoden anwenden, zur Qualitätssicherung oder zur Bearbeitung im Nanomaßstab. Die Analyse von Nanostrukturen ist eine der zentralen Aufgaben der Nanowissen schaf - ten. Moderne Hochleistungsmikroskope sind in der Lage, Materialien im Nano-Maßstab abzubilden; solche Nachweismethoden haben wachsende Bedeutung für die Qualitäts - sicherung. Darüber hinaus spielen Sensoren eine große Rolle, die beispielsweise Temperatur und Feuchtigkeit während der Produktion kontrollieren. Rasterkraftmikroskope sind außerdem in der Lage, atomare Strukturen nanometergenau zu positionieren, wenngleich derzeit noch ausschließ lich unter Laborbedingungen. Kapitel 3 liefert eine Zusammenstellung gängiger Analysemethoden und erklärt, wie sie funktionieren. 6

11 NT nutzen, um Produktionsprozesse zu optimieren. Häufig lassen sich Herstellungsverfahren effektiver gestalten, indem man sich der NT bedient: Werk zeuge sind länger einsetzbar, sofern sie durch Beschichtung mit Nanomaterialien geschützt werden; Prozessschritte laufen effektiver bei niedrigeren Temperaturen ab, wenn man Nanopartikel zusetzt. Kapitel 4 führt eine Vielzahl von Maßnahmen auf, die den Ressourcenverbrauch vermindern, die Betriebssicherheit verbessern oder die Qualität der erzeug ten Güter erhöhen. Konkurrenzfähig durch NT. Unternehmen erzielen messbare Wettbewerbsvorteile, wenn sie NT in der Produktion einsetzen. Zum Beispiel lassen sich Kosten vermindern, obwohl Nanomaterialien oftmals teurer als herkömmliche Alternativen sind: Denn Nanomaterialien sind in der Regel sparsamer im Verbrauch, dabei aber leistungsfähiger. Es muss daher immer mit den Systemkosten kalkuliert werden, nicht mit den reinen Anschaffungskosten der Ausgangs stoffe. Kapitel 5 zeigt auf, welche wirtschaftlichen Umstände zu berücksichtigen sind, wenn Unternehmen in NT investieren. Eine Zusammenstellung wichtiger Kontakt - adres sen rundet die Darstellung ab. Ob es sich für ein Unternehmen lohnt, auf die viel versprechenden Möglichkeiten der NT zu setzen, muss von Fall zu Fall entschieden werden. Die vorliegende Bro schüre gibt dazu erste Orientierungs hilfen. Zielsetzung der Broschüre Die vorliegende Broschüre soll vor allem kleinen und mittelständischen Unternehmen in Hessen helfen, Entwicklungen der NT, die produktions relevant sind zu erkennen und zu beurteilen, die nötigen Res sourcen und Kompetenzen dafür auf -zu- bauen sowie geeignete Kooperationspartner zu finden. Sie werden mit den wesentlichen Verfahren vertraut ge macht wie Nanomaterialien, die so genannten Grund bausteine und damit die Grundlage für Anwendungen der NT, hergestellt und verarbeitet werden (Kapitel 2) und welche Eigenschaften sich mit NT positiv beeinflussen lassen (Kapitel 4). Dazu werden Sie aktuelle anwendungsrelevante Beispiele vor allem aus dem Bereich der Oberflächenveredelung kennenlernen. Die Broschüre zeigt auf, welche Neuheiten durch die NT möglich sind. So können Unternehmen durch NT traditionelle Produkte effektiver und effizienter produzieren (als reine Prozessinnovation) oder durch NT neue Produkte herstellen oder sie durch NT erst möglich machen (Produkt- und Prozessinnovation). Auf den ersten Aspekt (Prozessinnovation) wird in dieser Broschüre ein besonderer Schwerpunkt gelegt. Folgende produktionsrelevanten Fragestellungen werden deshalb in der Studie beleuchtet: a Welche Produktionsprozesse sind für die Herstellung von Nanomaterialien und -halbzeuge relevant? (siehe Kapitel 2 und 3) a Wie können klassische Produktionsprozesse mit Unterstützung von NT effektiver werden? (siehe Kapitel 4) a Welche neuen Produkte sind durch NT möglich? (siehe Kapitel 4) 7

12 1 Einleitung Was sind Nanotechnologien? Höhe Geländewagen 2 m 1 m 0,1 m Singvogel 10 cm Außenabmessung Mikrochip 1 cm 1 cm 1 mm Floh 1 mm Durchmesser eines Menschenhaars 100 µm 0,1 mm =100 µm 10 µm Zelle ca. 25 µm Kleinste Abmessungen in integrierten Schaltungen < 90 nm 1 µm Staubkorn 1 5 µm 0,1 µm =100 nm Abbildung 2: Vergleich Größenordnungen der NT (Quelle Flad & Flad Communication) Strukturen für Quantenelektronik 20 nm Atome 0,1 0,4 nm 10 nm 1 nm Schrift aus Atomen (Raster-Tunnel-Mikroskop) 6,5 nm 0,1 nm DNA 2 nm breit Eine allgemein akzeptierte gültige Definition von NT gibt es nicht. In den meisten Fällen geht es bei NT um Materialien, Verfahren und Systeme bei denen Strukturen (Partikelgrößen, Filmdicken, Faserdurch - messer etc.) oder Genauigkeiten im Bereich von nm eine wesentliche Rolle spielen. In diesem Größenbereich ändern sich viele Eigenschaften von Stoffen (siehe Kapitel 1.1), d. h. es sind neue oder verbesserte Funktionen möglich, die mit größeren oder kleineren Systemen (Atomen, Molekülen) nicht realisiert werden können. NT müssen deshalb als Kombination von Größe und Funktion verstanden werden, nur klein zu sein reicht also nicht aus. Bereich der NT mit Relevanz für die Produktion Abbildung 3 zeigt die drei grundlegenden Bereiche der NT mit Produktrelevanz: Einen Schwerpunkt bilden Nano-Werkzeuge (Analytik und Manipulation), die für die Herstellung, Analyse und Detektion von Nano-Werkstoffen und Nano-Systemen unerlässlich sind. Dazu gehören z. B. auch Verfahren, um ultraglatte Oberflächen durch chemisch-mechanisches Polieren oder den Einsatz von Lasern (siehe Kapitel 2.4) zu erzeugen. Nano-Werkstoffe bilden die zweite wichtige Kategorie, hierunter fallen alle Nano-Materialien und -strukturen (siehe auch Ta - belle 2). Die letzte Kategorie bilden Nano-Systeme, die auf Nano-Werkstoffen aufbauen, jedoch in einem komplexen, z. B. mechanischen, optischen oder elektro-magnetischen Bauteil integriert sind. Die Erforschung nanoskaliger Systeme wird als Nanowissenschaft bezeichnet. Industrielle Verfah - ren, um mit solchen Struktureinheiten Produkte herzustellen bzw. Prozesse zu etablieren, werden als Nanotechnologien (NT) bezeichnet. Die Broschüre behandelt deshalb die NT, die für die industrielle Fertigung relevant sind. 8

13 Werkzeug Werkstoffe Nanowerkzeuge mit Relevanz für die Produktion wie Rasterkraft- und Rastertunnelmikroskop gehören zur Standardausrüstung in der Forschung (siehe Kap. 3) Nanowerkstoffe mit Relevanz für die Produktion, z.b. in Oberflächenbeschichtungen und Werkstoff-Komposite sind schon kommerziell weit verbreitet (siehe Kap. 2.2 und 4, Tabelle 2) Abbildung 3: Nano-Werkzeuge, Nano-Werkstoffe und Nano-Systeme Systeme Nanosysteme mit Relevanz für die Produktion wie Chipsysteme oder Sensoren befinden sich noch größtenteils im Stadium der Grundlagenforschung (siehe Kap , und 4.7) 1.1 Effekte der Nanoskaligkeit Nanoskalige Systeme finden sich im Übergangsbereich zwischen Molekülen / Atomen, die wir aufgrund ihrer geringen Größe nicht sehen können, und makroskopischen Materialien mit Eigenschaf - ten, die wir aus dem Alltag kennen. Beispielsweise entspricht es dem allgemeinen Alltagsverständnis, dass Farbe und Schmelzpunkt von Stoffen nicht von der Stoffmenge / Partikelgröße abhängt: 1 Gramm reines Gold und 1 Kilogramm reines Gold haben dieselbe Farbe und schmelzen beide bei derselben Temperatur. Dies ist in der Nanowelt nicht so: Hier kann der Schmelzpunkt abnehmen, wenn die Teil - chen immer kleiner werden und ihre Farbe kann von ihrer Größe abhängig sein: Mit abnehmender Größe der Goldpartikel (siehe Abbildung 4) in einer Flüssigkeit ändert sich die Farbe von Violett nach Rot. Im Bereich unterhalb von 100 nm Strukturgröße ändern sich viele Materialeigenschaften drastisch, dies versucht man technisch auszunutzen. Abbildung 4: Suspension von Goldnano partikeln unterschied licher Größe in einer Flüssigkeit: Abhängigkeit der Farbe von der Teilchengröße (im Bereich 5 20 nm) (Quelle: ~pmhansen/gold_trap.htm) 9

14 Die Nanostruktur von Materialien wirkt sich vor allem auf folgende Bereiche aus: a Oberflächen / Grenzflächen Ein großer Teil der Atome befindet sich an der Oberfläche, daraus resultieren eine hohe Reaktivität der Partikel, eine große spezifische Oberfläche, die Absenkung von Schmelztemperaturen, die Zunahme der Härte von Metallen, eine erhöhte katalytische Aktivität u. v. m. a Optische und elektrische Eigenschaften, Quantenmechanik Farbe und Fluoreszenz ändern sich (durch die Einschränkung der Beweglichkeit von Ladungs - trägern), die Lichtstreuung nimmt ab oder es treten Tunneleffekte auf (Teilchen können hohe Potenzialbarrieren durchdringen) 1.2 Nano-Systeme und -materialien Nanoskalige Systeme können in unterschiedlicher Form und Ausprägung auftreten: als Partikel, Fasern, Schichten oder Formkörper. Eine Übersicht hierzu zeigen Abbildung 5 und Tabelle 2. Partikel Formkörper strukturierte Oberflächen a Kooperative Effekte Das magnetische oder dielektrische Verhalten ändert sich a Transportvorgänge Die Transportvorgänge von Ladung oder Wärme werden durch die Nanodimension bestimmt. So wird der elektrische Widerstand sehr klein z. B. bei Kohlenstoffnanoröhren. Die Wärmeleitung nimmt ab, wenn die mittlere freie Weglänge der Gasmoleküle kleiner ist als der Porendurch mes - ser (Nanoschäume). Die Gasteilchen können durch Stöße untereinander keine Wärme mehr transportieren, dadurch wird die Wärmeleitfähigkeit drastisch reduziert. Die Beispiele machen deutlich, dass NT keine Produkte sind vielmehr werden die vielfältigen Eigenschaften und Funktionalitäten von nanoskaligen Strukturen in und für Materialien und Strukturen, Halb - zeuge und Produkte genutzt. Die breiten Anwendungspotenziale von NT ergeben sich also aus den naturwissenschaftlichen Grund lagen, speziell aus: a neuen physikalischen Funktionalitäten, die mechanische, elektrische, magnetische, optische oder thermische Eigenschaften von Nanomaterialien und -strukturen verbessern, Fasern Schichten Abbildung 5: Verschiedene Formen von Nanomaterialien Nanopartikel sind in allen drei Raumrichtungen nanoskalig, hier treten die Effekte der Nano ska ligkeit am ausgeprägtesten auf. Nanopartikel können in einer Matrix vorliegen (Komposit) oder, wenn sich die Nanopartikel berühren z. B. keramische oder metallische Formkörper bilden. Nanofasern sind in zwei Raumrichtungen nanoskalig. Schichten sind durch ihre nm-dicke nur in einer Dimension nanoskalig, oft in mehreren Schichten übereinander (Multilayer). Vor allem bei Schichten spielt auch die Strukturierung ihrer Oberflächen eine wichtige Rolle (Lotuseffekt, optische Effekte). In anderen Fällen sind Poren im nm-bereich wesentlich für die Funktion (Antireflexschichten, Wärmeisolation, Filtration etc.). a neuen chemischen Eigenschaften durch die vergrößerte Oberflächen und die geometrische Anordnung von Atomen, so dass sich Schmelz - punkte ändern und sich die chemische Reaktivi - tät oder katalytische Ausbeute verbessert sowie a neuen biologischen Funktionalitäten durch molekulare Erkennung, die zu Selbstorganisation, Selbstreparatur, Adaptionsfähigkeit oder Erkennungsfähigkeit von Nanostrukturen führen. 10

15 FORM MATERIALIEN ANWENDUNGSBEISPIELE Partikel (Füllstoffe) TiO 2, ZrO 2, SiO 2, Al-Oxid, ZnO, Füllstoffe für Komposite z. B. Zu ga be von Antimon-Zinn-Oxid, Indium-Zinn- Nanopartikeln für Lacksysteme zum Oxid (ITO), C60-Fullerene, Ag Kratzschutz, UV-Absorption in Sonnencremes, transparente elektrische Leit fähigkeit, Antistatik, antimikrobielle Funktionen u. a. Formkörper Metalle, Keramiken, Nanopartikel Keramische oder metallische Formkörper in metallischen oder keramischen mit erhöhter Zähigkeit bzw. Härte Hartschichten Komposite Nanopartikel in Polymeren Tennisschläger mit Carbon Nanotubes zur mechanischen Verstärkung sowie Zugabe von Schichtsilikaten zu Polymeren für verbesserte Barrierewirkung, Flammschutz etc. Nanoporen Wärmeisolation, Antireflexschichten Fasern / Röhren Carbon Nanotubes (CNTs, als Füllstoffe für Komposite (verbesserte Single Wall-CNTs oder Multi-Wall- elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleit- CNTs), Polymer-Nanofasern fähigkeit), Filtration Tabelle 2: Beispiele für Nanomaterialien und Schichten Nanolackschichten, anorganischorganische Hybridpolymere, Kratzfeste Schichten für Polymere, tribologische Schutzschichten für Metalle, mögliche Anwendungen PVD/CVD-Schichten, Einfach- oder photokatalytisch aktive Schichten, antimi- Mehrfachschichten krobielle Schichten Strukturierte Oberflächen Optik, Antireflex-Schichten, diffraktive (Ätzstrukturen, Prägungen) optische Elemente (DOW), Lotuseffekt- Strukturen für verringerte Oberflächenenergie 11

16 Abbildung 6: Bewegen einzelner Atome mit der Spitze eines Rastersonden - mikroskops (Quelle: Eigler 1990) 1.3 Die Entwicklung der NT: Klassische, moderne und visionäre Aspekte Materialien mit Teilchengrößen unterhalb von 100 nm sind keineswegs neu. Es gibt vielerlei industrielle Anwendungen, die Nanopartikel z. T. seit langer Zeit z. B. als Füllstoffe (Ruße, Kieselsäuren), Katalysatoren, Tinten etc. verwenden. Dies kann als klassische NT bezeichnet werden. Durch diesen Bereich werden bislang mehr als 90 % der Märkte für Nanomaterialien bestimmt. Neuartige Nanomaterialien sind seit rund 20 Jahren in Form z. B. von Kohlenstoff nanoröhren (Carbon Nanotubes, CNTs) oder auch Fullerenen (C60) hinzugekommen, zusammen mit modernen Methoden, um isolierte Nanopartikel, d. h. nicht zu größeren Partikeln verklumpende nanoskalige Partikel, mit enger Größenverteilung herzustellen. Die visionäre NT (u. a. Eric Drexler, Richard Feynman) beschäftigt sich mit den so genannten molekularen Assemblern, also Nanomaschinen, die einzelne Atome an beliebige Stellen platzieren können und damit einen molekularen Maschinenbau ermög lichen, eine Art Ultraminiaturisierung. Einzelne Atome können schon heute mit der Spitze eines Rastertunnelmikroskopes gezielt auf der Oberfläche eines Substrates bewegt werden (siehe Abbildung 6). 35 Xenon (Xe)-Atome bilden das IBM-Logo auf einer Nickel (Ni)-Einkristall-Oberfläche. Die Beschriftung des Ni-Einkristalls mit dem IBM-Logo dauerte 22 Stunden bei einer Temperatur von 269 C! Eine Parallelisierung dieses Verfahrens ist jedoch bislang nicht möglich, so dass auf diese Weise in naher Zukunft kein industriell relevantes Produktionsverfahren entstehen wird. Einige dieser Visionen (Molekulare Assembler: Ultrakleine Robotersysteme, die einzelne Atome gezielt zu Molekülen bzw. größeren Einheiten zusammenbauen können) sind außerdem noch mit vielen theoretischen Unklarheiten behaftet und sollen daher hier nicht näher behandelt werden. Eine Computergrafik (Abbildung 7) zeigt, wie man sich ein molekulares Getriebe (Ultraminiaturisierung) vorstellen kann. Der Antrieb dieses molekularen Bauteiles könnte mit Laserstrahlen erfolgen, dazu wäre allerdings eine Kühlung mit flüssigem Helium nötig. Abbildung 7: Molekularer Maschinenbau: Computergrafik eines molekularen Zahnrades basierend auf funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhren (Quelle: 12

17 Ansatz Verfahren Großes kleiner machen, Selektieren Top-Down Nanostrukturiertes Material Bottom-Up Zusammenbau aus molekularen Bausteinen ( Building Block ) Lithografie Elektronische Geräte, Chip-Masken Spanen, Ätzen, Mahlen Präzise gefertigte Oberflächen Chemische Synthese Partikel, Moleküle Self-Assembly Kristalle, Filme, Tubes biologische Systeme Positional Assembly molekulare Geräte Abbildung 8: Bottom-Up und Top-Down- Verfahren zur Herstellung von nanostrukturierten Materialien 1.4 Nanomaterialien und ihre Relevanz für Produktions- und Bearbeitungsprozesse Werkstoffe aus Nanomaterialien sind die Basis der am weitesten verbreiteten Anwendungen der NT. Ihre intrinsischen Eigenschaften sind aber nur ein Teil des nutzbaren Potenzials der NT für die Produktion. So bieten die beiden prinzipiellen Ansätze zur Herstellung von Nanomaterialien vom Großen zum Kleinen (Top-Down) und vom Kleinen zum Großen (Bottom-Up) viele interessante (neue) Möglichkeiten für Unternehmen. Trennende und spanende Verfahren zur Herstellung von Materialien werden so um Selbstorganisationsverfahren zum Aufbau von Material ergänzt. Die Abbildung 8 zeigt die beiden Ansätze sowie die zugrunde liegenden Verfahren. In Kapitel 2.2 werden wir einige Herstellungsprozesse im Detail betrachten. Abbildung 9 zeigt die Relevanz der Nanomaterialien für Produktions- und Bearbeitungsprozesse aus Sicht der Prozesskette. Nanomaterialien und -halbzeuge werden für die Produktion und Produkte entwickelt und hergestellt. In der Produktion traditioneller oder neuer Produkte können die Eigenschaften bestimmter Nanomaterialien den Produktionsprozess effizienter und effektiver gestalten, entweder durch gezielte, dauerhaft bereitgestellte Funktionalitäten für Werkzeuge (z. B. Easy-to-clean-Ober - fläche, Antihaft-Beschichtung von Werkzeugen) oder als Teil des Produktionsprozesses, ohne im Produkt enthalten zu sein (z. B. der Einsatz von Nanopulvern zur Herstellung von keramischen und metallischen Bauteilen hier spielt die Reaktionsfähigkeit der Nanopulver eine grosse Rolle, Prozesse können bei niedrigeren Temperaturen ablaufen), aber das Endprodukt muss nicht nanoskalig aufgebaut sein. Produktion NT-Eigenschaften in der Produktion Traditionelle Produkte Nano- Materialien Produkte Nano- Halbzeuge NT-Prozesspartikel in der Produktion NT-Eigenschaften in Produkten Neue Produkte Abbildung 9: Prozesskette beim Einsatz von Nano - materialien in der Produktion 13

18 Abbildung 10 verdeutlicht einige Aspekte am Beispiel der Polymerverarbeitung z. B. für die Herstellung von Nanokompositen. Ein Aspekt betrifft die Herstellung und Dispergierung von Nanopartikeln zur Einarbeitung in eine polymere Matrix, also die Bereitstellung der Nanomaterialien. Das Einmischen bzw. Erzeugen der Nanopartikel erfolgt in einem Extrusionsprozess, der als Zwischenstufe das Polymergranulat liefert, welches dann durch Spritzguss oder Folienziehverfahren weiterverarbeitet wird. Die Folien bzw. Spritzgussteile können, sofern nötig, auch durch Beschichtung mit Nanolacken weiter veredelt werden. Polymerbasierende Nanokomposite (Herstellung, Verarbeitung, Anwendung) werden z. B. im Projekthaus Funktionelle Polymere der Degussa AG intensiv erforscht. Den Produktionsprozess bei der Polymerverarbeitung können Nanomaterialien als tribologische Schutz- bzw. Antihaftschichten bei der Extrusion oder beim Spritzguss verbessern, die Zugabe von Nanopartikeln erhöht die Fließfähigkeit von Polymerschmelzen (einfachere Verarbeitbarkeit) etc. Bei den Werkzeugen für die Verarbeitung der Polymere (Extrusionsschnecken, Gehäuse) können an besonders beanspruchten Stellen auch Formteile aus Hochleistungskeramik bzw. Sintermetallen Verwendung finden, die aus Nanopulvern hergestellt werden. Außerdem können Sensoren und Aktuatoren die Prozesssicherheit bei der Verarbeitung erhöhen. Produktion der Nanomaterialien Herstellung Partikel oder Nanolacke Partikeldispergierung Partikeleinarbeitung oder in-situ-erzeugung Produktion Halbzeuge Extrusion (Polymerschmelze) NT/Materialien für die Produktion Oberflächenveredelte Werkzeuge Beschichtung mit Nanomaterialien: Antihaft/mechanischer Schutz Spritzguss Folienherstellung Veredelung Beschichten von Formteilen mit Nanolacken oder PVD/CVD Keramische/metallische Werkzeuge aus Nanopulvern Prozessüberwachung/-steuerung durch Sensoren/Aktuatoren Abbildung 10: Produktion von und mit Nanomaterialien am Beispiel der Herstellung und Weiterverarbeitung von polymeren Nanoverbundwerkstoffen 14

19 Chemie Wirkstoffsuche Synthese/Katalyse Sensoren Prozessüberwachung Medizin/Gesundheit Diagnostik Therapie Wirkstoff-Freisetzung Tissue Engineering Verbraucher Kosmetik Sonnenschutz antimikrobielle Textilien Verpackungen Elektronik, IT, Druck Elektronisches Papier Displays (OLED, FED) Polymerelektronik Speicher (GMR) Sensoren Biochips Passivierung Optik Ophthalmik Entspiegelung Photonik Wellenleiter optische Speicher Lichttechnik Materialien Nanotechnologie Produktion Automobil kratzfeste Decklacke Leichtbau (Schäume, Polymere) Korrosionsschutz Sensoren Katalyse (Verbrennung, Abgas) Bauindustrie saubere Oberflächen schaltbare Verscheibung Wärmedämmung Korrosionsschutz Umwelt Abwasserreinigung Photokatalyse Umweltüberwachung Energie Batterien, Superkondensatoren Brennstoff- und Solarzellen Thermische Kraftwerke IR-Reflexionen/ Verscheibung Abbildung 11: Anwendungsmöglichkeiten der NT in der Produktion und in Produkten Nanotechnologien: Produkte und Branchen Es wird erwartet, dass NT Einfluss auf fast alle Produktions- und Industriebranchen haben werden. Bereits jetzt zeigt sich die Anwendungsbreite und -tiefe (siehe Abbildung 11): NT werden bereits in Produkten und Verfahren der Optik, im Automobilbau, in der Medizintechnik, in Informations- und Kommunikationstechnologie, in der Umwelttechnik, in chemischen Verfahren und der Energietechnik eingesetzt. Die Aktionslinie Hessen-Nanotech des Hessischen Wirtschaftsministeriums hat im Rahmen ihrer Schriftenreihe bereits zu einigen dieser Anwendungen, die für Hessen besonders wichtig sind, Broschüren herausgegeben, z. B. a NT in der Umwelttechnik (Band 1), a NT in der Medizin (Band 2), a NT in der Automobiltechnik (Band 3), a Nano-Kommunikation (Band 4) sowie a NT in der Optik (Band 5) 1. Der Grad der Anwendung der NT in einzelnen Branchen ist unterschiedlich hoch (siehe Abbildung 12). In vielen Fällen besteht noch großer Forschungsbedarf. Aufgrund des Querschnittscharakters der NT ist aber zu erwarten, dass kontinuierlich neue Erkenntnisse in vielen Branchen Anwendung finden können oder dort die Entwicklung beschleunigen. Befeuert wird dies auch durch die großen und zahlreichen nationalen und europäischen / internationalen Förderprogramme und die zunehmende Entwicklungstätigkeit in Unternehmen. In verschiedenen Studien [Luther 2004, Heyer- Wevers 2005] wurde die Wichtigkeit der zukünftigen Anwendungsfelder der NT untersucht. Bei dem Ranking zeigte sich, dass den Anwendungsfeldern Information und Kommunikation, Chemie / Werkstoffe / Verfahrenstechnik und Medizintechnik / Gesundheit die höchste Zukunftsrelevanz zugebilligt wird. In diesen Anwendungsfeldern sehen die Unternehmen offensichtlich die besten Marktchancen in den nächsten Jahren. Vor allem der Bereich Werkstoffe / Verfahrenstechnik ist stark produktionsrelevant. Die als besonders wichtig bewerteten Funktionalitäten der NT sind die Oberflächenfunktionalisierung, optische Effekte, verbesserte Werkstoffeigenschaften, Analytik / Diagnose, Sensorik und nanobiologische Funktionen, aber auch Schutzfunktionen (vor Korrosion, Schmutz etc.) und Fertigungsequipment. 1 Eine aktuelle Auflistung der Bände gibt es unter Dort können auch die einzelnen Bände heruntergeladen oder bestellt werden. 2 OLED: Organische Leuchtdiode, FED: Feldemissionsdisplay, GMR: Giant Magnetic Resistance 15

20 Schmutzabweisende, antibakterielle Wandfarben hocheffizienter Wärme- und Schallschutz funktionsoptimierte Asphaltmischungen keramische Folien als Wandbelag korrosionsbeständiger Hochleistungsbeton Bautechnik Korrosionsschutzschichten Nanomembranen zur Trinkwassergewinnung Künstliche Photosynthese Optimierte Batterien/Akkus preiswerte großflächige Solarzellen Ressourcenschonende Produktion Verschleißschutz für mechanische Bauteile durch Selbstorganisation photokatalytische Luft- und Wasserreinigung Umwelt/ Energie Abgaskatalysatoren Sensorische Umweltüberwachung Mikrobrennstoffzellen Nanosensor-Netzwerke Schmutzabweisende Textilien Kleidung mit integrierter Unterhaltungselektronik Überwachung von Körperfunktionen Superisolierende Thermobekleidung Antibakterielle Wäsche UV geschützte Fasern Aktive Bewegungsunterstützung ultraleichte Schutzwesten Carbon Black Nano-Schichtsilikate Kohlenstoffnanoröhren selbstheilende Werkstoffe Polymerdispersionen Dendrimere Ferrofluide Schaltbare Klebstoffe selbstorganisierende Werkstoffe Mikronisierte Wirkstoffe Aerogele Organische Halbleiter hocheffiziente Wasserstoffspeicher Nano-Kieselsäure Nanopigmente Quantenpunkte künstliche Spinnenseide Nanoreaktoren Easy-To-Clean-Schichten Polymere Nanokomposite Reifenfüllstoffe Magnetoelektronische Sensoren Dünnfilmsolarzellen für Autodächer schaltbare Lacke Nanobeschichtete Dieselinjektoren Nanokomposite als Leichtbauwerkstoffe adaptierbare Außenhaut Antibeschlagschichten Polymerverscheibungen Ferrofluid-Stoßdämpfer Antireflexschichten für Displays Nanopartikel als Kraftstoffzusatz Kratzfeste Lacke Optimierte Brennstoffzellen Thermoelektrische Abwärmenutzung Festplatten mit GMR-Lesekopf Siliziumelektronik < 100 nm Duftimprägnierte Kleidung Polymerelektronik z.b. für Funketiketten Phase-Change-Speicher Millipede-Speicher Spintronik DNA-Computing Ferroelektrische Speicher Aktive Wärmeregulierung Magnetoelektronische Speicher Kohlenstoffnanoröhren-Feldemissionsdisplays Molekularelektronik Textil Chemie Selbstreinigende Fassadenelemente Schaltbare Glasfassaden Ultrastabile Leichtbau- Konstruktionsstoffe umweltverträgliche Brandschutzmittel OLED-Beleuchtung Automobilbau Elektronik weiße LED Optische Mikroskope mit Nanoauflösung Photonische Kristalle All-Optical-Computing Ultrapräzisionsoptiken EUV Lithographie-Optiken Kratzfeste Brillengläser Organische Leuchtdioden (OLED) Quantenkryptografie Nahfeldoptiken für die Nanoanalytik Quantenpunktlaser Optische Industrie Antimikrobielle Beschichtungen Nano-Krebstherapie (Hyperthermie) Neuro-Kopplung Molekulare Krebsfrüherkennung Biosensoren Nanopartikel als Markerstoffe biokompatible Implantate Tissue Engineering Nanoskalige Kontrastmittel Lab-on-a-chip-Systeme Intelligente Drug Delivery-Systeme Nanopartikel zum Wirkstofftransport Theranostics Medizin Verbreitung am Markt Markteintritt Prototyp Konzept 0 5 Jahre 5 10 Jahre Jahre Abbildung 12: Entwicklungsstand einzelner NT nach Anwendungs branchen (Quelle: BMBF Nanoinitiative Aktionsplan Nanotechnologie 2010, November 2006) 16

21 1.6 Entwicklungsstand der Nanotechnologien Der weltweite Markt für NT liegt 2006 bei über 100 Mrd. Euro, wobei es eine große Streuung der Marktzahlen aufgrund fehlender einheitlicher Definition über die Wertschöpfung durch NT gibt. Eine aktuelle Aufteilung in die einzelnen Bereiche [Hilarius 2006] zeigt Tabelle 3. Hier wird nochmals klar, dass die klassischen Nanomaterialien (Ruße, Kieselsäuren etc.) bislang ca. 95 % des Marktes ausmachen. BEREICH Ultradünne Schichten 57 Ultrapräzise Oberflächenbehandlung Nanomaterialien und Komposite MARKTGRÖSSE in Mrd. Euro (weltweit) (davon 1,5 nichtklassische, also neue Nanomaterialien, Verdoppelung innerhalb von 5 Jahren prognostiziert) In Deutschland sind ca. 550 Unternehmen im Bereich der NT tätig, in der EU insgesamt rund In Hessen sind nach Umfragen von 2004 und 2005 [Lentz 2004, Rohde 2005] ca. 100 Unternehmen der NT zuzuordnen, wobei ähnlich der Ergebnisse für Deutschland zwei Größencluster zu beobachten sind: a Sehr große FuE-Unternehmen (Merck, Heraeus, Degussa etc.) inkl. deren Forschungsausgründungen sowie a Viele teilweise sehr kleine Spezialfirmen In über 70 Arbeitsgruppen an Universitäten und Fachhochschulen wird in Hessen in den NT und Nanowissenschaften geforscht. Eine Übersicht zu den Akteuren der NT in Hessen findet sich unter Nanoanalytik 8 Strukturierte Oberflächen (Laterale Nanostrukturen) 4 Tabelle 3: Märkte der NT in 2005 (Quelle: Hilarius 2006) Deutschland hat in Europa eine führende Rolle bei der industriellen Umsetzung der NT [Luther 2004]. Die deutschen und auch die hessischen Stärken liegen vor allem im Bereich der Chemie, Pharmazie und bei innovativen Materialien. Die notwendige Diffusion der Technologie in mittelständisch ge prägte Betriebe steht allerdings noch am Anfang. Bis zum Jahre 2015 wird nach bisherigen Abschätzungen fast jede Industriebranche von NT-Anwendungen durchdrungen sein. Da der Maschinenbau in Deutschland ebenfalls zu den Leitbranchen gehört, liegt in der Kombination von NT mit Maschinenbau und Produktionstechnik eine große Chance und Hebelwirkung für die Zukunft. 17

22 2 Verfahren zur Herstellung von Nanomaterialien und -halbzeugen 2.1 Neue Ansätze der Produktion Die Erwartungen sind groß, dass NT mittel- und langfristig tief greifende Veränderungen für die Produktion bringen werden. Mit der Frage, wie neue Produktionsverfahren zukünftig von den NT profitieren können, beschäftigen sich sowohl nationale als auch europäische Projekte z. B. werden Roadmaps und Strategiekonzepte erstellt (z. B. Nano - manufacturing: Mikro- / Nano produktion: Euro päische Technologieplattform Manufuture Die Anwendung von neuen nanotechnologischen Oberflächeneigenschaften z. B. in Produktionsanlagen (vgl. Tabelle 2) bilden erst den Anfang für das große und breite Einsatzspektrum der NT in der Produktion. Das Verständnis chemischer Stoffeigenschaften, biologischer Prinzipien und physikalischer Gesetze auf der Nanoskala eröffnet ganz neue Ansätze für Produktion. Dies ermöglicht neue Aspekte der Materialund Produktentwicklung gegen über den bisherigen Betrachtungsweisen (siehe Abbildung 13). Für das Design von nanoskaligen Strukturen und Partikeln stehen zwei prinzipielle Herangehensweisen bereit, die sich im Zugang zum nm-bereich auf der Längenskala unterscheiden (siehe Abbildung 8): a Der Top-Down-Ansatz ( von oben nach unten ) repräsentiert vor allem die physikalische Vorgehensweise: Ausgehend von der Mikrotechnik werden Strukturen und Materialien weiter miniaturisiert. Zum Einsatz kommen Lithografie-Verfahren (z. B. in der Chip-Herstellung) sowie die Ultrapräzisionsbearbeitung (zur Erzeugung ultraglatter Oberflächen) zur Herstellung definierter nanoskaliger Strukturen. Nanoskalige Pulver können durch Hochenergiemahlprozesse ausgehend von µm-großen Pulvern hergestellt werden. a Der Bottom-Up-Ansatz ( von unten nach oben ) wird durch chemische (Komplexchemie und Supramolekulare Chemie) und biologische (biologische Baupläne und Selbstorganisations- Effekte) Sichtweisen geprägt: Komplexe Strukturen werden aus den atomaren bzw. molekularen Bausteinen durch gezielte Synthese, Selbstorganisations- und Positionierverfahren (Rastersondenmikroskopie) aufgebaut. Ein Beispiel hierfür sind Verfahren der so genannten chemischen NT wie das Sol-Gel-Verfahren (Abbildung 14) zur Herstellung von Nanopulvern, Schichten, Fasern und Formkörpern. Klassische Produktionen Bisherige Betrachtungsweise Nano- Produktionen Notwendige Änderungen und neue Sicht des Engineering Nanopartikel verlieren ihre typischen Festkörpereigenschaften und können eher als großes Molekül mit neuen elektronischen, chemischen und optischen Eigenschaften betrachtet werden Festkörpereigenschaften Bindungseigenschaften Quantenmechanik Abbildung 13: Volumen dominiert Nanopartikel haben ein sehr großes Oberfläche- Volumen-Verhältnis, dadurch dominieren Oberflächenatome sowie deren chemische, thermische oder magnetische Eigenschaften Oberfläche dominiert Neue Sicht der Materialund Produktentwicklung durch NT Einfache Miniaturisierung Statt Miniaturisierung können Nanopartikel/ -strukturen durch Selbstorganisationsphänomene aufgebaut und gesteuert werden, in Anlehnung an Mechanismen in der Natur Synthese und atomare Manipulation Kombination mit Selbstorganisationsprozessen 18

23 Chemische Nanotechnologie Prinzipiell werden sowohl Top-Down- als auch Bottom-Up-Ansätze zur Bildung von Nanostrukturen eingesetzt, wobei die industrielle Umsetzung unterschiedlich weit fortgeschritten ist. Einige Verfahren eignen sich bisher nur für Laboranwendungen, an de re werden bereits seit Jahrzehnten großtechnisch eingesetzt. Im Folgenden werden einige dieser Methoden etwas näher vorgestellt. pm nm µm Pulver Schichten Sol Fasern Gelkörper 1) flüssige, molekular disperse Vorstufen 2) nanoskalige, verarbeitbare Zwischenstufen (Sole/Harze) 3) Formgebung (Schichten, Fasern, ) 4) Trocknung/Härtung Abbildung 14: Sol-Gel-Verfahren: Chemische NT als Bottom-Up-Verfahren zur Herstellung von Gläsern, Keramiken und Hybridpolymeren (links) sowie Ablaufschema mit einzelnen Prozesschritten (rechts) mm Formkörper 5) Verdichtung, Sintern (Glas/Keramik) 2.2 Herstellung von Nanomaterialien und -systemen Nanostrukturen bzw. -partikel können durch unterschiedlichste Verfahren wie chemische und physikalische Verfahren, Prozesse in der Gasphase oder in Flüssigkeiten oder durch Hochenergiemahlprozesse hergestellt werden. Im Folgenden sollen beispielhaft einige industriell relevante Herstellungsprozesse kurz vorgestellt werden Nanostrukturen und Nanopartikel Nanopartikel werden industriell oft über Gaspha sen / Flammprozesse oder über Fällungsprozesse (z. B. pyrogene bzw. Fällungskieselsäuren) erzeugt. Tabelle 4 zeigt eine Übersicht zu Produktionsmenge und -wert verschiedener Stoffsysteme, die über Flamm synthesen erzeugt werden [DTI 2005]. Material Carbon Black (Ruße) Volumen (MegaT / Jahr) Tabelle 4: Beispiele für Partikelsynthesen über Flamm prozesse (Quelle: DTI 2005) Prozess, Precursor 8 Flammreaktor, C xh y TiO 2 2 Flammreaktor, TiCl 4 ZnO 0,6 Heißwandreaktor, Zn SiO 2 0,2 Flammreaktor, SiCl 4 Festes Ausgangsmaterial Starkes Erhitzen Dampfbildung Zugabe von reaktivem Gas Ausbildung molekularer Aggregate Abkühlung von Dampf und Gas Bildung von Nanopartikeln Der Gasphasensyntheseprozess von metallischen und oxidischen Nanopartikeln (Abbildung 15) geht von festen Ausgangsmaterialien aus, die durch starkes Erhitzen (teilweise über Laserenergie) einen Dampf bilden, der aus einzelnen Atomen bzw. Molekülen besteht. Wenn Verbindungen wie Oxide hergestellt werden, wird ein reaktives Gas zugegeben und es bilden sich molekulare Aggregate. Die so gebildeten Partikel müssen dann sehr schnell abgekühlt werden. Das Furnace-Rußverfahren hat die größte Bedeutung bei der industriellen Rußproduktion. Es kommen gasförmige und flüssige Kohlenwasserstoffe zum Einsatz. Nach der Rußbildung bei hoher Temperatur in einem ausgemauerten Ofen (Furnace) wird die Prozessgasmischung mit eingedüstem Wasser abgeschreckt ( gequencht ), um Nachreaktionen zu verhindern. Abbildung 15: Beispiel eines Gasphasensyntheseprozesses für Nanopartikel. Basis sind feste Ausgangsmaterialien (Quelle: Rödiger 2001) 19

24 Moderne Formen des Kohlenstoffs: Kohlenstoffnanoröhren Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nanotubes, CNT) haben seit ihrer Entdeckung vor ca. 15 Jahren vermehrte Aufmerksamkeit erfahren. Sie bilden sehr regel mäßige Graphitstrukturen aus, die in Form von Röhren auftreten. Aufgrund ihrer außergewöhnlichen mechanischen und elektrischen Eigenschaften können sie z. B. als neue Füllstoffe eingesetzt werden. Bislang ist die Herstellung der Nanoröhren noch in den wenigsten Fällen mit hochskalierbaren Anlagen möglich und die Preise für die verschiedenen Typen (einwandig, mehrwandig etc.) sind relativ hoch. In den Tabellen 5 und 6 sind verschiedene Herstellungsverfahren von Nanomaterialien zusammengestellt. Top-Down-Verfahren haben den prinzipiellen Vorteil, dass von makroskopischen Materialien ausgegangen werden kann, die über den Eintrag von Energie in Mikro- und Nanostrukturen überführt werden können. Dies hat in vielen Fällen Kostenvorteile, extrem kleine Nanostrukturen (<10 nm) sind damit jedoch kaum herstellbar. Ein neuer Ansatz zur Herstellung von mehrwandigen CNT wird von der Firma Bayer Material Science verfolgt (siehe Abbildung 16), der schließlich zu kg- Preisen von weniger als 50 Euro führen soll. Die neue Prozesstechnik geht von der kontrollierten Zersetzung von Kohlenwasserstoffen aus, die in einem Festbettreaktor im Gegenstrom an der Katalysatoroberfläche, mehrwandige CNT ausbilden. Die so genannten Baytubes ( Spaghettistrukturen siehe Bild 16 rechts) können dann in Kunststoffe eingearbeitet werden. Katalysator H 2 Heizung = Abbildung 16: Schematischer Aufbau von mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhren (MWNT, oben) und Fließbettreaktor zur Herstellung von MWNT (links) (Quelle: Krüger 2006) Kohlenwasserstoffe Baytubes : Agglomerate von Multi-Wall CNT 20

25 Top-Down-Herstellverfahren VERFAHREN CHARAKTERISTIKA VOR- / NACHTEILE, BEISPIELE Lithographieprozesse Hochenergiemahlen Extreme plastische Verformung Entmischung von Gläsern Schmelzfaden-Technologie Kontrollierte Detonation Elektrospinnprozesse (siehe Abbildung 17) Mikroelektronischer Prozess: Strukturierte Aushärtung kombiniert mit Ätzprozessen Vermahlen von konventionellen Pulvern, hoher Energieaufwand, Aufskalierung möglich Walzprozesse Temperprozesse bei hohen Temperaturen Verdüsen von Metallschmelzen durch Ultraschalldüsen, Abschre cken in einem Gasstrom, kostenintensive Anlagen Kontrollierte Explosion unter hohem Druck in spezieller Gasatmosphäre Erste industrielle Anlagen vorhanden, Forschung meist an Laboranlagen Mikroelektronik / Mikrooptik, Auflösung begrenzt durch verwendete Lichtwellenlänge, sehr hoher Aufwand bei Strukturen unterhalb 100 nm Problem Verunreinigungen, oft für Metallcarbide / silizide (Hartstoffe) verwendet Für Metalle angewandt, Beispiel Blattgoldherstellung Für metallische Gläser und anorganische Gläser / Glaskeramiken Nur für Metallpulver. Nanobereich nur schwer erreichbar Nanodiamant, Metalle, Oxide, Hartstoffe etc. für Polymere Elektrische Bogenentladung Schwierige Hochskalierung zur Herstellung von C-Nano-tubes, Fullerenen Delaminieren von Tonen / Schichtsilikaten Schichtstapel der Silikate werden durch starke Kräfte zusammengehalten und müssen durch Energieeintrag getrennt und durch Dispergatoren stabilisiert werden. Hoher Energiebedarf für effektive Dispersion zur Stabilisierung werden große Mengen Dispergatoren benötigt Beim Elektrospinnverfahren wird eine Polymer lösung bzw. eine Polymerschmelze unter Anlegen eines elektrischen Feldes durch eine Kapillare gedrückt. Der ausgebildete Faden (langgezogene Polymerstränge) scheidet sich auf der Gegenelektrode ab. Das Verfahren ist ein Top-Down-Ver fahren, da bei der Verstreckung üblicherweise keine Polymerisationsreaktionen ablaufen. Einen detaillierten Vergleich der Verfahren findet sich in [Steinfeldt 2004], eine Übersicht zu Herstellverfahren von Nanopartikeln aus der Gasphase zeigt [Kruis 1998]. Kapillarspitze Polymerlösung Faserbildung Strom Fasermatte Substrat Tabelle 5: Herstellverfahren für Nanostrukturen / -partikel über Top-Down- Verfahren mit Festkörpern als Ausgangsmaterialien Abbildung 17: Elektrospinnverfahren zur Herstellung von Nanofasern aus Polymeren (Quelle: Greiner 2004, Placke 2005) 21