Industrielle Anwendungen der Nanotechnologie bei der Merck KGaA

Transkript

1 Industrielle Anwendungen der Nanotechnologie bei der Merck KGaA Dr. Gerhard Jonschker, Dr. Michael Heckmeier, Dr. Volker Hilarius 1. Nanotechnologieforum Hessen, Hanau

2 Was ist Nanotechnologie? Griechisch: Nanos ~ Der Zwerg Mathematisch: 0, m sind 1 nm, entsprechend dem Größenverhältnis von Gartenzwerg zur Erde Technologisch: Herstellung Manipulation Detektion von Materialien im nm-maßstab

3 Was ist Nanotechnologie? Nanotechnologie adressiert verschiedene Märkte: Bauteile (z.b. Computerchips) Werkstoffe und Materialien (z.b. Nanopulver) Oberflächen (z.b. Beschichtungsmaterialien) Geräte zur Manipulation und Detektion (z.b. Mikroskope) Merck sieht die Anwendungen der Nanotechnologie im Bereich Werkstoffe und Materialien

4 Nanotechnologie: Die Natur als Vorbild

5 Biologische Arrangements auf Nanometerebene Diatomeen durch Biomineralisation Hochgeordnete Abscheidung von nanometerfeinen SiO 2 - Gerüsten auf biologischen Templaten. Prächtige Farben des Schmetterlingsfügels durch lichtbrechende Strukturen im nm-maßstab www. biological.colors.ucla.org

6 Selbstorganisation im nm-maßstab Tabakmosaikvirus DNA/RNA Faltung Phage T4

7 Nanomaterialien von Merck

8 Kompetenzen von Merck Herstellung von Nanoteilchen unterschiedlichster Zusammensetzung frei und auf Trägermaterialien über Kontrollierte Fällung Sol-Gel Synthese Pyrolytische Prozesse Funktionalisierung der Nanostrukturen Organosilanchemie Dünne anorganische Schichten Weiterverarbeitung von Nanoteilchen zu Überstrukturen Anordnung durch äußere Kräfte Self assembly

9 Preisfrage! Was ist das Produkt? Nanomaterialien werden oft nur in Nano-Mengen gebraucht. Um den ROI zu gewährleisten, müssen Preis pro kg Verkaufsmodelle in vielen Fällen überdacht werden. Lizenzeinnahmen Betreibermodelle Umsatzbeteiligung Vorwärtsintegration, d.h. Weiterverarbeitung... Herausforderung für die Unternehmen!

10 Beispiele von Merck Rohmaterialien (z.b. TiCl 4, TEOS, Wasserglas) Nanopartikel Funktionalisierte Partikel Dispersionen/ Masterbatches Effekte/ Komponenten Endprodukte Monospheres Ronaspheres Ronasphere LDP Kolloidales Silber AR-Coating CECOS Iridodin Magprep Mela-Tag Eusolex Chromolith

11 Antireflexbeschichtungen aus SiO 2 -Nanopartikeln Beschichten, Härten Beim Kunden SiO 2 Nanopartikel, hergestellt durch einen Sol-Gel Prozess Antireflexschicht auf Glas Beidseitig Antireflexbeschichtetes Glas u.a. für Photovoltaik 10% mehr Wirkungsgrad n D 1,22 d 120 nm

12 Kugellager für kosmetische Pigmente Verbesserung des Hautgefühls Samtige, weiche Haptik Verbesserung der Akzeptanz beim Kunden

13 Künstlich hergestellte SiO 2 und Al 2 O 3 Plättchen nm dick mit geringer statistischer Schwankung Al 2 O 3 Basis für die Abscheidung farbiger optischer Interferenzschichten mit Nanoteilchen. Präzise Oberflächen für herausragende optische Effekte SiO 2

14 Funktionalisierung von Nanoteilchen Farbe Magnetismus Oberflächenchemie

15 SiO 2 Kugeln mit Farbeffekt Aufgabe: Anpassung des Farbtons von SiO 2 -Kugeln an die Hautfarbe. Lösung: Fe 2 O 3 wird auf der Kugeloberfläche abgeschieden. Ergebnis: Ein kosmetischer Wirkstoff, der Falten kaschieren kann.

16 Ronasphere LDP Reflexionsverbessung in Falten Lichtreflexion: ca. 50% ca % ca. 30 % (diffus) Haut Falten

17 Nanomagnete Aufgabe: Spezifische Trennung von Stoffgemischen Lösung: Fe 2 O 3 Nanoteilchen (Magnetit) werden mit Rezeptoren beschichtet. Ergebnis: Selektive Bindung an den zu entfernenden Partner (RNA, DNA)

18 UV-Schutz von Kunststoffen und Lacken Laufendes Forschungsprojekt Konventionelle UV-Absorber sind nicht langzeitstabil ZnO aus der Emulsions- Synthese Anorganische Absorber versprechen dauerhaften Schutz und positive Nebeneffekte, wie z.b. Kratzfestigkeit. Die maßgeschneiderte Oberflächenchemie ist für den transparenten Einbau entscheidend.

19 Weiterverarbeitung von Nanoteilchen Selbstorganisation Zwang durch äußere Kräfte

20 Nanoteilchen auf Trägern Z.B. Glimmer als Basismaterial TiO 2, Fe 2 O 3, SnO 2 und SiO 2 -Nanoteilchen werden durch Übersättigung hergestellt und scheiden sich sofort auf der vorgegebenen Oberfläche ab.

21 Das Resultat: Perleffekt-Pigmente nm nm nm nm nm Die Schichtdicke der Nanostruktur bestimmt den Farbeindruck Der Farbeffekt ist ein Ergebnis der Lichtwechselwirkung (Interferenz) mit nanostrukturierten Materialien.

22 Außergewöhnliche Effekte durch besondere Trägermaterialien Colorstream Pigmente SiO 2 basierend einheitliche Partikel winkelabhängige Farbe Xirallic Pigmente Al 2 O 3 Planare Oberfläche Kristallglanz

23 Winkelabhängige Farbeindrücke Der Träger ist optisch wirksam. Präzision auf nm-ebene im Tonnenmaßstab ist Pflicht! Lichtquelle

24 Pigmente für Wärmereflektion Iriodin SHR 870/ Transmission in % PAR* light transmission spectrum spectrum of of Iriodin Iriodin SHR SHR Wavelength in nm * Photosynthetic Active Radiation (PAR) Spezialpigmente auf Glimmerbasis Hohe Lichttransmission bei nm Optimiert für die Photosynthese von Pflanzen Selektive Reflektion im nahen Infrarot (NIR)

25 Selbstorganisation von Nanoteilchen in 3-dimensionale Strukturen Monolitische Säulen (analytisch und präparativ) aus Nano-SiO 2 Strukturen Präzise eingestellte bimodale Porosität ermöglicht schnelle Stoffgemischtrennung bei hoher Auflösung Weitere Anwendungen als Katalysatorträger sind denkbar

26 Leuchtendes Vorbild: Der Opal Hochgeordnete Strukturen aus 250 nm großen SiO 2 -Kugeln Vorbild für heutige Pigmente und photonische Kristalle.

27 Anordnung von Nanoteilchen durch äußere Kräfte Separat hergestellte Polymer-Nanokugeln werden durch äußere Kräfte in eine Ordnung gezwungen Bei perfekter Anordnung sind Farbeffekte, wie beim natürlichen Opal zu erwarten Das Processing mit etablierten Verfahren ermöglicht kostengünstige Produktion.

28 Das Resultat: Opaleffekte in Folien Winkelabhängiger Farbeindruck Vielfältige Einsatzmöglichkeiten im Laminatverbund als in-mould decoration 100 nm

29 Acknowledgements Mitarbeiter bei Merck KGaA: Dr. T. Albrecht, Dr. H. Buchholz, Dr. L. Büttgenbach, Dr. U. Heider, Dr. L. Heider, M. Jungnitz, Dr. M. Kuntz, Dr. M. Kursawe, K. Nitta, Dr. G. Pfaff, Dr. P. Reynders, R. Riddle, Dr. N. Schül, Dr. H. Winkler, Dr. M. Koch, A. Kübelbeck Beiträge von FHG-ISE Freiburg, FHG-ISC Würzburg Unterstützt durch mehrere Projekte der Europäischen Kommission, DG XII und des BMBF, MatTech-Programm