Feinste Pulver aus der Flamme

Transkript

1 Feinste Pulver aus der Flamme In Flammen mit unterschiedlichen Ausgangsstoffen und Grössen lassen sich Nanopartikel in verschiedenen Mengen, Formen und Zusammensetzungen herstellen. Nanopartikel unter dem Elektronenmikroskop. Die Partikel bestehen aus zwei Komponenten, die sich nicht gleichmässig vermischen. Die entsprechenden Entmischungsstellen erscheinen dunkel. Nanopulver aus xiden sind das Ausgangsmaterial für zahlreiche Produkte. Anwendungsbereiche Nanopartikel aus xiden Flamme für chemische Reaktionen Funktionelle Füllstoffe Höchste Wechselwirkung Einzelpartikel und Zusammenballungen Verwendung in der Keramik wie auch im Ketchup

2 Gegen den Verschleiss: Harte, transparente Schichten durch Nanostrukturierung Kristallines MeN oder MeC Amorphe Bindungsphase Diese Beschichtungen, die meistens nur einige 100 Nanometer bis Mikrometer dick sind, bestehen typischerweise aus einem Metall-Nichtmetall-Verbund und sind an ihrer besonderen Färbung erkennbar. Der Beschichtungsprozess «Sputtern» findet im Vakuum statt. Ein «Plasma» aus ionisiertem Gas trägt Material aus einer hochreinen Quelle ab und deponiert dieses auf der ganzen berfläche des Werkstückes, unabhängig von dessen Form. Diese Art der Beschichtung wird sehr häufig in der Industrie eingesetzt.. Die sog. «Nanokomposite» oder «nanostrukturierten Beschichtungen» werden durch Einbetten von kleinen, harten Kristallen in einer Bindungsphase gebildet. Diese spezielle Struktur macht es möglich, dass die Beschichtungen fester als Diamant sein können. Es besteht weiterhin die Möglichkeit, durch eine spezielle Wahl der Materialkomposition die Beschichtung transparent zu machen. Je nach Materialkomposition und Dicke können diese Beschichtungen für neue Anwendungen wie zum Beispiel kratzresistentes Fenster- und Brillenglas oder als dekorative (farbige) Glaselemente eingesetzt werden. Ein grosser Vorteil dieser Materialien ist die billige Herstellung der Beschichtungen. Anwendungsbereiche Seit den 70er-Jahren werden industrielle Bohr- und Schneidwerkzeuge durch Beschichtung mit harten und oxidationsresistenten Schichten gegen Verschleiss geschützt.

3 Photokatalyse Licht reagiert mit Keramik 2-2 Ti2 UV-Licht e- + h+ H H 2 Unterlage Schema der Absorption von Licht (Photonen) am Halbleiter Titandioxid, was Elektronen (e-) und Elektronenlöchern (h+) freisetzt. Diese wiederum reagieren mit Wasser und Sauerstoff unter Bildung von reaktiven Radikalen. 50 nm Ti2-Nanopartikel, hier unter dem Elektronenmikroskop, sind dank ihrer riesigen berfläche besonders aktiv. Die Beschichtung der Aluminiumfassade mit Titandioxid macht das Gebäude der YKK Corporation (Japan) praktisch selbstreinigend. Anwendungsbereiche Halbleiterpartikel als Katalysator Lichtabsorption und chemische Reaktion Reinigung von Luft Wasserfilm statt Wassertropfen Abbau von Bakterien Saubere berflächen

4 Nano-Bausteine mit Mega-Wirkung 2 µm Der Gecko macht sich die Kräfte der Nanostrukturen an seinen Füssen beim Klettern zu nutze. Dank der Kleinheit der «Saugnäpfe» wirken riesige Haftkräfte. Unterseite der Füsse eines Geckos. Die Vergrösserung der Fussunterseite unter dem Elektronenmikroskop zeigt viele kleinste «Saugnäpfe». Anwendungsbereiche Strukturen aus nanoskaligen Bausteinen Extrem schnell reagierende berflächen Einbettung und Anbindung Unsichtbare Bausteine Neuartige Eigenschaften Für Lacke oder Zahnfüllstoffe

5 Mikrogeprägte Fasern Kontrolle von Reibungseigenschaften und Feuchtigkeitshaushalt Faser Prägewalze Anpresswalz Faser-Schmelzspinnanlage Streckeinheit und Wickler Strukturierung durch Heissprägung AFM-Analyse nach Prägung Mikrofurchen und Nanoamplitude! Zellwachstum Anwendungsbereiche Sporttextilbereich: Feuchtigkeitstransport Medizinalbereich: gerichtetes Zellwachstum Kontrollierte Reibung: reduzierte Blasenbildung

6 Nanoporöse berflächen für Fasern mit optimierten Eigenschaften riginal Plasmaaktiviert Plasmabeschichtet Plasmabeschichtungsanlage berflächenanalyse liefert Porosität gefärbt mit C.I. Acid blue 127:1 (Anbindung an Amino-Gruppen) hydrophobe Stoffschicht hydrophile Stoffschicht Verbesserte Produkteigenschaften höhere Färbbarkeit grössere Hydrophilie erhöhte Verbundfähigkeit

7 Das Nano-Produkt ist verbraucht. Und dann Sonnencrème Squashschläger Haut Dusche Kerichtverbrennung Mensch Luft Mensch Lebenszyklus Beispiel: Sonnencrème mit Nano-Titandioxid Abwasserreinigung Lebenszyklus Beispiel: Squashschläger mit Kohlenstoffnanoröhrchen Lebewesen Boden Trinkwasser Gewässer Pflanze

8 Wechselwirkung zwischen Nanomaterialien und Zellen Hintergrundbild: Lungenepithelzellen. Die dreifache Fluoreszenzfärbung macht die Zellarchitektur (Aktin grün; Vinkulin rot) und den Zellkern (blau) sichtbar. Bild oben und unten: Motoneuronen aus Hühnerembryonen als weiteres Modellsystem für das Studium der Wechselwirkung zwischen Nanomaterialen und Zellen. Fibroblasten sind Teil des Bindegewebes. Die durchschnittliche Grösse einer Zelle liegt bei 20 µm bis 50 µm. In menschlichen Knochenzellen durch dreifache Fluoreszenzfärbung sichtbar gemachte Zellarchitektur (Aktin grün; Vinkulin rot) und Zellkern (blau).

9 Kohlenstoff Nanoröhrchen als Verstärkung oder Stromleiter in Polymeren Mechanisch Stark Elektrisch Leitend 500 nm Atomstruktur eines Kohlenstoff Nanoröhrchens (KNR) Polyamidfaser mit KNR--schwarz und steifer KNR an einer Polykarbonat-Bruchfläche Empa Schmelzspinnanlage «Spider» KNR können die Struktur des Materials ändern Rasterelektronmikroskopaufnahme einiger KNR Dynamische Bruchfestigkeit von Kunstoffplatten hne Mit Höhe 100 nm -100 nm 100 nm -100 nm 50 Phase nm

10 Vom makrostrukturierten Ziegel zur nanostrukturierten High-Tech-Keramik Hochfeste Bio-Keramik aus Nanopulver Nanopulver sind Ausgangsmaterialien für Keramiken extremer Festigkeit Kratzfeste Nanolacke für transparente Schichten Nanopartikel erhöhen die Kratzfestigkeit von Transparent-Lacken dank Modifizierung und Funktionalisierung Gefüge Ziegel : undefinierte, grobkörnige Ausgangspulver (z.b. Sand 500 µm); geringe Festigkeit «Grobkeramik»; Korngrösse 100 bis 1000 µm; Biegefestigkeit MPa 100 µm 5 µm 1 µm Gefüge Technische Keramik: reine Pulver (0,5 µm); gute Festigkeit, «Hochleistungskeramik», Korngrösse 1 µm; Biegefestigkeit 400 MPa Nanostrukturierte Keramik für die Trinkwasseraufbereitung Nanoporöse Materialien entfernen zuverlässig mikroskopisch kleine Bakterien Gefüge ATZ (Al 2 3 -Zr2-Nanokeramik): hochreine Nanopulver ( nm), sehr hohe Festigkeit, «High- Tech-Biokeramik», Korngrösse 0,3 µm (300 nm); Biegefestigkeit MPa Festigkeitsverteilung für Al 2 3 Mikrokeramik und TZP bzw. ATZ-High-Tech-Keramik aus Nanopulvern Erfolg: KTI-Projekt mit Fa. Metoxit, Thayngen, CH Erfolg: KTI- und industriefinanzierte Projekte zur Extrusion nanoporöser Keramikmaterialien mit Fa. Katadyn, Wallisellen, CH Mechanistisches Mechanistisches Modell Modell Zur Zur Steigerung Steigerung der der Kratzfestigkeit Kratzfestigkeit Nanopulver Nanopulver Partikeldurchmesser Partikeldurchmesser Partikelhärte Partikelhärte Partikelgeometrie Partikelgeometrie Charakterisierung Charakterisierung der der Nanolacke Nanolacke Nano Nano Scratch Scratch Test Test Transparenz Transparenz Entwicklungszyklus für das grundlegende wissenschaftliche Verständnis der Herstellung von kratzfesten Lacken H H H 2 Partikel H H Methacryloxy(propyl)trimethoxysilan H 2 C Methacryloxy(propyl)trimethoxysilan Chemische Reaktionen an Nanopartikel-berflächen zur gezielten Modifizierung und Funktionalisierung von Verstärkungspartikeln Nanoskalige Keramikpulver für effiziente Hochtemperatur-Brennstoffzellen H + H H H CH H Partikel Methacryloxy(propyl)trimethoxysilan H H H Nanopartikel mit komplexer Zusammensetzung bilden hochreaktive Elektrolyt- und Elektroden- Schichten H 2 C 2 H H 2 Partikel H H H H H H 2 H H + H + H H 2 C H 2 C H H CH 3 H H 3 C CHH 2 H H 2 H H H H Methacryloxy(propyl)trimethoxysilan Mechanische berflächencharakterisierung H 3 C Nanopartikelherstellung Lackcharakterisierung H H Formulierung von Lacken MDELL zur Steigerung der Kratzfestigkeit H 2 ENTWICKLUNG berflächenmodifikation H 2 berflächenmodifikation Modifikation H Modifikation H Funktionalisierung Funktionalisierung hochkratzfester transparenter Nanolacke Netzwerkpartner und deren Beiträge im KTI-Projekt «Entwicklung kratzfester H2-Komponenten-Transparent-Lacke durch Einbau und gezielte Anbindung von oxidischen H Nanopartikeln» Nanopartikel funktionalisieren desagglomerieren Prof. Wolfgang MEIER berflächenmodifikation Emulsionspolymerisation von loxan-partikel H Erfolg und Ausblick: KTI-Projekt «Nanolack» schafft vertieftes Verständnis der Verstärkungsmechanismen in partikelverstärkten Klarlacken Erfolg: EU, Top Nano 21 und BfE-Projekte zur H 3 C Steigerung der Leistungsdichte gemeinsam mit Fa. Sulzer Hexis, Winterthur, CH HT Ceramix, Lausanne, CH und weiteren europäischen Partnern H ' C C 10 mm 10 µm 1 µm Portables Filtersystem mit High-Tech-Keramik Nanoporöse, durch Extrusion hergestellte Filterstruktur Diatomeen - natürlicher, nanoporöser Werkstoff aus der Natur Nanoporöse Filterstruktur (0,2 µm) entfernt Bakterien (0,3 1 µm) Schichtstruktur von Brennstoffzellen-Element Nanopartikelbasierte Zirkonoxid Elektrolyt-Schicht auf Anodensubstrat (Nickel-Zirkonoxid-Cermet) Massgeschneiderte Anodenstrukturen Bakterium (500x1100nm) Parvovirus (20nm) Adenovirus (80nm) Influenzavirus (100nm) Bakteriophage (150nm) Herpesvirus (150nm) Pockenvirus (300nm) Tabakmosaik-Virus (130nm) Poliovirus (30nm)