Nanotechnologie - Einführung

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1 Nanotechnologie - Einführung Dr. Péter Krüger Bayer Fachgespräch CDU/CSU Bundestagsfraktion Berlin, 28. Mai 2010

2 Nano ist in allen Schlagzeilen Dr. Péter Krüger Juni 2010 Seite 2

3 Die ökonomische Vision für Nano Vorhersage Weltmarkt in Mrd USD Renzo Tomellini, DG Research Dr. Péter Krüger Juni 2010 Seite 3

4 Weltweite öffentliche Förderung für Nano Umgerechnet in Mio USD Lokale Kaufkraft in Mio USD Dr. Péter Krüger Juni 2010 Seite 4 Source: Lux Research

5 Wie klein ist Nano? Diameter of the earth = ,3 km Dr. Péter Krüger Juni 2010 Seite 5

6 Nanoskala KLeines Oberflächen/ Volumen-Verhältnis Großes Oberflächen/ Volumen-Verhältnis Makro Mikro Nano Molekül Atom H O H 10 µm 1 µm 100 nm 10 nm 1 nm 0,1 nm Vergleichsobjekte Menschliches Haar Blutzellen Viren Proteine Bakterien DNA (width) Rauchteilchen Mikromaschinen Pigmente Dispersionen Kolloide Sichtbares Licht Dr. Péter Krüger Juni 2010 Seite 6

7 Nanotechnologie Interdisziplinäres Querschnittsgebiet Synthese/Herstellung, Modifikation, Steuerung und Charakterisierung von Strukturen und/oder Teilchen mit ca. 1 < 100 nm in mindestens einer Dimension UND Neue Eigenschaften Nanotechnologie: Zweckmäßiges Werkzeug bzw. Prozess, um Materie auf dem Nanoskala (ca. 1 and 100 nm) zu beeinflussen/modifizieren, um neue oder modifizierte Dr. Péter Krüger Juni 2010 Seite 7 größenabhängige Eigenschaften zu bekommen

8 Ultrahydrophobe Oberflächen selbst gemacht? Die Kerze als Nanofabrik? T : 1 H RE11 9 2µm Kerzenruß + 2h/150 C B T T Dr. Péter Krüger Juni 2010 Seite : 1 H RE nm : 1 H036401RE nm

9 Nanostrukturen, Nanomaterialien Nano- Objekte Nano- Container : 1 B028202R E nm Nano- Materialien - Agglomerate/Aggregate - Nano- Komposite Nano- Strukturen - Nano- Poren - Nano- Kanäle Nano- Oberflächen Dr. Péter Krüger Juni 2010 Seite 9 Aus: Metallen Halbleitern Metalloxiden Keramiken Polymeren Kohlenstoff Silika Proteinen/Biomaterialien. (Bio)abbaubar oder (Bio)beständig oder nicht beständig

10 Gesellschaftliche Bedürfnisse und Herausforderungen Nanotechnologie ist eine Querschnittstechnologie Ressourcen Bewahrung Einsparung: -Effizienz -Katalyse Gesundheit Wiederherstellung: -Wirkstofftransport - Wirkstofffreigabe -Diagnostika -Med. Techn./ Geräte Erhalt: -Hygiene -Sonnenschutz Dr. Péter Krüger Juni 2010 Seite 10 Energie Umwandeln Transport Speichern Sparen Nanotechnologie Nano-Objekte, Nano-Container Nano-Komposite Nano-Materialien Nano-Strukturen Ernährung Pflanzen Wasser Umwelt/ Klima Vermeidung, Abtrennung von Nebenprodukten Aufbereitung: -Luft -Erde -Wasser Mobilität Automobil Luftfahrt Wasserverkehr Kommunikation/ Information Datenspeicher Datenverarb. Displays

11 Etablierte Nanotechnologie / Nanomaterialien Carbon Black Technologie Silika Technologie AFM - Lateralforce AFM - Morphology Hardness VSL phr Vulkasil S + 6p hr Si6 9 VSL phr Vulkasil S SBR + Silica + Silanisation STM 60 nm Prof. Göritz, Uni Regensburg Spannung σ [MPa] 10 8nm Dr. Péter Krüger Juni 2010 Seite 11 0,5 µm Stress [MPa] 5 SBR + Silica Dehnung ε [% ] Deformation [%] Die Nanotechnologie ist eine Basistechnologie seit fast einem Jahrhundert

12 Nanotechnologie für die Lebenswissenschaften Warum? Biologische Bausteine sind Nano-Objekte oder Nanostrukturen Nanoformulierungen: Bioverfügbarkeit von Wirkstoffen Spezifischer Transport von zum Wirkort Gesteuerte Freigabe von Wirkstoff Primary particles Sol. matrix capsules Neue Therapien (lokale Hyperthermie bei Tumoren) MagForce Nanotechnologies AG Diagnostik In Vitro Bestimmung von DNA und/oder Proteinen In Vivo Kontrastmittel (MRI) Dr. Péter Krüger Juni 2010 Seite 12

13 Warum ist Nano für viele Anwendungen, z.b. in Nanokompositen unumgänglich? Matrixpolymer/Binder Vernetzer / Härter Nanopartikel / Oberflächenmodifiziert Verarbeitung + + Nanokomposite Niederviskose Medien + Düsenstrahldispergator Hochviskose Medien Extruder Homogene Verteilung Anreicherung am Substrat Anreicherung an der Oberfläche Netzwerk Agglomerate Leichtbau Dr. Péter Krüger Juni 2010 Seite 13 Korrosionschutz Substrate: Kratz- Metalle, Polymere festigkeit Photovoltaik, Batterien

14 Mögliche Nutzung von Kohlenstoffnanoröhren in Produkten für den effizienteren Klimaschutz Effizientere Energieumwandlung Effizientere Windkraftwerke durch größere Flügel Brennstoffzellen, Hybride Solarzellen Effiziente Beleuchtung / Displays Effizienterer Energietransport Effiziente Nutzung der Leitfähigkeit - Fußboden-, Wandheizung - Frontscheibenheizung Mikrowellenantennen Miniaturisierte Stromkreise Sensoren Effizientere Energiespeicherung Wasserstoffspeicherung Li-Ion Batterien Effizienteres Energiesparen Leichtbau für Bauwesen und Transport Geringer Rollwiderstand bei Autoreifen Effiziente Produktionsprozesse -Elektrostatische Lackierung -Katalyse Components for electrostatic coating Dr. Péter Krüger Juni 2010 Seite 14

15 Wovon hängt die Energie-Effizienz einer Windturbine ab? Rotordurchmesser in m Dr. Péter Krüger Juni 2010 Seite 15 Jahr der Inbetriebnahme Leistung Quelle: UpWind Intgrated Project on Windturbine Design Effizienzsteigerung durch vergrößerte Spannweite der Rotorblätter

16 Technische Herausforderung: Rotordurchmesser in m Jahr der Inbetriebnahme Leistung Quelle: UpWind Intgrated Project on Windturbine Design Durch die zunehmende Größe wird die Dr. Péter Materialfestigkeit Krüger Juni 2010 Seite 16 der Rotorblätter überschritten

17 Lösungsansatz: Rotordurchmesser in m Dr. Péter Krüger Juni 2010 Seite 17 Jahr der Inbetriebnahme Leistung Quelle: UpWind Intgrated Project on Windturbine Design Verstärkung des Materials durch neuartige hochfeste Zuschlagstoffe/Additive:

18 Kohlenstoffnanoröhrchen für effizientere Windkraftwerke Herstellung CNT OberflächenCNT+ modifikation Kunststoff: CNT Halbzeuge WindkraftwerkEnergieWindkraftwerk Flügel versorgung Endkunde 20 nm BTS B RE : µm B R E n m Wertschöpfungskette Beispiel: Innovationsallianz CNT, Dr. Péter Krüger Juni 2010 Seite 18

19 Innovationsallianz CNT: Vernetzung von Projekten Leichtbau Mobilität Energie & Umwelt W. Entsalzung Batterien Brennstoffzelle Windkraft Dichtungen Bau Met. Kaross. Solarzellen Crashelem. Kunst. Kar. Funktionalisierung Herstellung Katalyse Strukturelem. Sicherheit Dispergierung Raumfahrt Automobil Luftfahrt 70 Partner aus industrie und Akademia Ca. 70 Mio., 50 % BMBF Start: April 2008, 4 Jahre 18 eng vernetzte Projekte 10 neu Projekte (ca. 20 Mio, 20 neue Partner, 50 % BMBF) werden z.zt. implementiert Dr. Péter Krüger Juni 2010 Seite 19

20 Product Stewardship für Nanomaterialien [N/cm³] Raucher Raum Straße [nm] Entwicklung und Validierung von Charakterisierung sowie von Messmethoden Mitarbeit in Gremien: z.b.: DECHEMA, VCI, CEFIC, ACC Prüfprogramme zur Bewertung des Wirkund Expositionsprofils Teilnahme am Dialog mit Stakeholdern Beteiligung an öffentlich geförderten Forschungsprojekten: NanoCare, TRACER, CarboSafe, Unterstützung der globalen Normung, Standardisierung (DIN, ISO, OECD) Die Sicherheitsforschung ist integraler Bestandteil der Innovationsstrategie Dr. Péter Krüger Juni 2010 Seite 20

21 Nanotechnologie ist eine Plattform...entlang der Wertschöpfungs- bzw. Lieferkette Beteiligte innerhalb der Gesellschaft Politiker / Behörden / Verwaltungen / NGOs / Medien / allgemeine Öffentlichkeit Nachhaltigkeit/Recycling Nanomaterial Modifikation Nanomaterial Nanokomposit Windkraftwerk- Flügel Windkraftwerk System Kunde 20 nm BTS B RE µm : 1 B028202R E nm Institute / Universitäten (Bildung, Grundlagenforschung, Kooperation,..) Finanzangbranche Versicherungen Patentlandschaft / Rechtsangelegenheiten Dr. Péter Krüger Juni 2010 Seite 21

22 Nanotechnology: Hope oder Hype? Dr. Péter Krüger Juni 2010 Seite 22