Bildungsplattform zur Mikro- und Nanotechnologie für Berufsfach- und Mittelschulen sowie Höhere Fachschulen Nanomaterialien (BKU-Teil 4) Handout Datum: September 2014 Autor: Andreas Beck
Nanomaterialien Was ist ein Nanomaterial? Meistens wird der Begriff Nanomaterial gebraucht, wenn das Material innere Strukturen oder äussere Abmessungen hat, die sich in der Grössenordnung von 1-100 nm bewegen. Diese Abgrenzung ist einigermassen willkürlich, weil beispielsweise Partikel mit einem Durchmesser von 200 nm auch zu den Nanomaterialien gezählt werden. Bild: Kugelförmiges Molekül aus 60 Kohlenstoffatomen mit ungefähr 1 nm Durchmesser (Fulleren). Häufig eingesetzte Materialien Wir wollen hier am Beispiel von sechs häufig eingesetzten Nanomaterialien zeigen, welche unterschiedlichen Wirkungen damit erzielt werden können: Nanosilber Russpartikel Kohlenstoff-Nanoröhrchen Titandioxid (TiO 2 ) Zinkoxid (ZnO) Siliziumdioxid (SiO 2 ) Bild: Link auf Datenbank für Nanopartikel. www.nanopartikel.info Swiss Nano-Cube www.swissnanocube.ch 2/9
Nanosilber Nanosilber wird nicht nur in der Medizin als wichtigstes Antibiotikum verwendet, sondern ist zudem das häufigste Nanomaterial in Alltagsprodukten. Die keimtötenden Eigenschaften von Silber werden immer öfter in Form von Nanopartikeln genutzt. Gemäss Studien kann es jedoch eine Gefahr für Mensch und Tier darstellen. In Socken und Unterwäsche hilft Nanosilber gegen üblen Geruch. Auf Computertastaturen und Türklinken etc. soll Nanosilber die krankheitserregenden Keime bekämpfen. Swiss Nano-Cube www.swissnanocube.ch 3/9
Russpartikel Russpartikel (carbon black) werden für industrielle Anwendungen gezielt hergestellt. Für Autoreifen gibt es ungefähr 40 verschiedene Russtypen, die dem Gummi jeweils spezifische Eigenschaften vermitteln. Sie optimieren z.b. den Rollwiderstand oder den Abrieb. Russpartikel dienen auch als schwarzes Pigment in Farben und Lacken. Swiss Nano-Cube www.swissnanocube.ch 4/9
Kohlenstoff-Nanoröhrchen Kohlenstoff-Nanoröhrchen (Carbon Nanotubes, CNT) sind winzige Röhrchen, die ausschliesslich aus dem Element Kohlenstoff aufgebaut sind, wobei die Wände der Röhrchen aus einer einzigen oder nur ganz wenigen Atomlagen bestehen. Nanoröhrchen können einoder mehrwandig sein (single wall nanotube SWNT bzw. multiple wall nanotube MWNT) Nanoröhren werden mit herkömmlichem Kunststoff gemischt, wodurch die mechanischen Eigenschaften der Kunststoffe verbessert werden. Bei Verbundwerkstoffen mit einem CNT- Anteil von lediglich einem Gewichtsprozent kann eine Verbesserung der mechanischen Eigenschaften von bis zu 25 Prozent gegenüber dem Kunststoff erreicht werden. Man findet solche Verbundwerkstoffe in einigen Hightech-Sportgeräten (Fahrradrahmen, Tennisschläger). Die Kohlenstoffröhrchen können sich wie ein Metall oder wie ein Halbleiter verhalten und eignen sich damit für einen Einsatz in zukünftigen Nanotransistoren und anderen elektronischen Bauteilen. Swiss Nano-Cube www.swissnanocube.ch 5/9
Titandioxid (TiO 2 ) Titandioxid ist das mit Abstand am häufigsten verwendete Metalloxid. Einsatz findet es vor allem in der Oberflächenveredelung, um diese schmutzabweisend zu machen. Man kennt dieses Prinzip unter dem Namen Lotuseffekt. Die Blätter der Lotuspflanze sind flüssigkeitsabweisend, so dass beispielsweise Wasser einfach abperlt. Dadurch bleiben die Blätter stets sauber und es können sich keine Pilze oder andere Organismen auf ihnen bilden, die der Pflanze schaden könnten. Die Blätter enthalten kein TiO 2. Dieses wir lediglich bei technischen Anwendungen verwendet, um den Lotuseffekt zu erzeugen. Die beiden Bilder verdeutlichen den Unterschied zweier Oberflächen. Oben ohne, unten mit TiO 2 : Wassertropfen und Schmutz haften an der glatten Oberfläche. Schmutz wird durch Wasser nur verlagert. Wassertropfen ziehen sich aufgrund der Oberflächenspannung zusammen. Sie laufen ab und nehmen Schmutzpartikel mit. Swiss Nano-Cube www.swissnanocube.ch 6/9
Mit grösstem Erfolg ist seit 1999 die Fassadenfarbe Lotusan der Firma Sto AG auf dem Markt. Inzwischen gibt es allein mit diesem Produkt weltweit etwa 500 000 Gebäude, die mit Lotus-Oberflächen ausgestattet sind. Beschichtete Brillengläser verschmutzen weniger und lassen das Wasser abperlen. Glas- und Keramikoberflächen werden mit einer ultradünnen und unsichtbaren Schutzschicht versiegelt, so dass die behandelte Fläche Wasser abperlen lässt und das Anhaften von Schmutz und Kalk stark reduziert. Swiss Nano-Cube www.swissnanocube.ch 7/9
Siliziumdioxid (SiO 2 ) Dank Nano-Beschichtung können Speisen und Fettspritzer praktisch nicht mehr haften und einbrennen. Was nach dem Backen zurückbleibt, lässt sich mit einem feuchten Tuch und etwas Spülmittel entfernen. In Lacken und Beschichtungen können Nanopartikel zur Erhöhung der Kratzfestigkeit und Abriebbeständigkeit eingesetzt werden. Besonders interessant sind diese Eigenschaften für Holz- und Möbellacke, Automobilklarlacke sowie für Industrielacke. SiO 2 -Partikel werden seit Jahrzenten als Lebensmittelzusatzstoff (E551) eingesetzt, um das Verklumpen von Pulvern (Salz, Streuwürze, etc.) zu verhindern. Swiss Nano-Cube www.swissnanocube.ch 8/9
Zinkoxid (ZnO) ZnO-Nanopartikel absorbieren die UV-Strahlung der Sonne sehr effizient. Sie werden deshalb beispielsweise in Sonnencremes mit hohen Lichtschutzfaktoren eingesetzt. ZnO ist ein direkter Halbleiter und wird als durchsichtige leitende Schicht in Leuchtdioden (LEDs) oder in Flüssigkristallbildschirmen verwendet. Bei der Herstellung von Solarzellen führt eine 1 Nanometer dünne Zinkoxidbeschichtung dazu, dass deren Wirkungsgrad gesteigert werden kann. Swiss Nano-Cube www.swissnanocube.ch 9/9