ABBILDUNG 1-1 1. Winzige Welten, wertvolle Wirkungen Was ist Nanotechnik? Untersuchung, Herstellung und Anwendung von Strukturen unter 100 nm Ein Nanometer (nm) ist der milliardste Teil eines Meters. 1 nm = 0,000 000 001 m Unterrichtsmaterial Nanotechnologie ABBILDUNG 1–2 1. Winzige Welten, wertvolle Wirkungen Ordnung im Allerkleinsten Beispiele für Strukturen von Nanomaterialien 3 4 3 4 3 3 1 Nanopartikel Mehrwandige KohlenstoffNanoröhre Aerogel Schicht Unterrichtsmaterial Nanotechnologie Grenzfläche 2 2 2 1 Photonischer Kristall 1 1 1 4 1 1 1 ABBILDUNG 1–3 1. Winzige Welten, wertvolle Wirkungen Überraschungen auf der Nanometerskala Verhältnis Oberfläche-zu-Volumen Bei fortschreitender Verkleinerung eines hypothetischen Würfels wächst der Zahlenwert des Verhältnisses von Würfeloberfläche zu Würfelvolumen stark an. Würfel mit 1.000 Atomen = 100 nm Kantenlänge (1 Atomdurchmesser = 0,1 nm) Eckatome Würfel mit 100 Atomen = 10 nm Kantenlänge Würfel mit 10 Atomen = 1 nm Kantenlänge 8 8 8 11.976 1.176 96 Seitenflächenatome (ohne Eckatome) 5.976.024 57.624 384 Oberflächenatome 5.988.008 58.808 488 Atome im Inneren 994.011.992 941.192 512 0,006 0,062 0,953 Kantenatome (ohne Eckatome) Verhältnis Oberfläche-zu-Volumen Unterrichtsmaterial Nanotechnologie ABBILDUNG 2–1 2. Augen und Finger im Unsichtbaren Neue Erkenntnisse – neue Analyseverfahren TransmissionsElektronenmikroskop (TEM) Vakuum Kathode Wehnelt-Zylinder Anode Kondensor* Objekt (Probe) Raster-Elektronenmikroskop (REM) Anode Kathode Wehnelt-Zylinder Kondensor* Vakuum Ablenkspulen (x, y) Bildschirm Objektiv* Objektiv* Probe Detektoren für: Sekundärelektronen (SE) Rückstreuelektronen (RE) Objektivaperturblende Zwischenlinse* Rasterkraftmikroskop Projektiv* Endbild auf Leuchtschirm bzw. Fotoplatte *elektromagnetische Linsen Unterrichtsmaterial Nanotechnologie Detektor Laser Hebelarm und atomare Spitze Probe auf Piezo-Steuerquarz (x, y, z) ABBILDUNG 2–2 2. Augen und Finger im Unsichtbaren Funktionsweise eines Rastertunnelmikroskops (STM) Unterrichtsmaterial Nanotechnologie ABBILDUNG 3–1 3. Werkstatt für Winzlinge Zwei Wege führen zu Nanostrukturen Bottom-up: „von unten nach oben“ Aufbau von komplexen Strukturen aus einzelnen Atomen oder Molekülen Verfahren • Sol-Gel-Prozess • Gasphasensynthese • Chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD) • Physikalische Gasphasenabscheidung (physical vapor deposition, PVD) Top-down: „von oben nach unten“ Erzeugung nanoskaliger Strukturen durch Verkleinerung bzw. durch ultrapräzise Materialbearbeitung Verfahren • Zerkleinerung von Pulvern mit Kugelmühlen • Strukturierung mit Stempeltechniken • Strukturierung mit Elektronenstrahlen, Ionenstrahlen oder kurzwelliger UV-Strahlung Unterrichtsmaterial Nanotechnologie ABBILDUNG 3–2 3. Werkstatt für Winzlinge Aus Sol mach Gel Erzeugung von Nanopartikeln durch Fällungsreaktion im Sol-Gel-Verfahren Unterrichtsmaterial Nanotechnologie Sol-Gel-Reaktor ABBILDUNG 3–3 3. Werkstatt für Winzlinge Teilchentreffen in der Gasphase Gasphasensynthese Nukleation Vorläufer- OxidDampf Dampf Reaktionsbereich / Flammzone Wachstum Kügelchen Keimbildung Temperatur / Zeit Unterrichtsmaterial Nanotechnologie Gasphasenreaktor Aggregation Verklumpung ABBILDUNG 4–1 4. Mehr Nutzen im Alltag Große Bandbreite: „Nano“ im Automobil Einsatzmöglichkeiten von Nanomaterialien Vom Blickwinkel abhängige Farbe Antireflexbeschichtung (Kombiinstrumente) Leichtere, stabilere und elastischere Kunststoffe Kratzfeste Lacke Wärme reflektierende Verglasung Verschleißminderung im Motor Kleben statt schweißen Kratzfeste Beschichtung (Kunststoffteile) Brennstoffzelle 2H2+O2 => 2H2O Wirksamerer Katalysator Nano-Rußpartikel für bessere Haftung Unterrichtsmaterial Nanotechnologie Elektrochrome Rückspiegel (tönen sich auf ein elektrisches Signal hin) Schmutz abweisende Oberflächen ABBILDUNG 4–2 4. Mehr Nutzen im Alltag Plättchen mit Power-Flammschutz durch Nano-Ton Nanobetonit: Vielseitige Werkstoffe (1) Organische Modifikation der Oberfläche durch Ionenaustausch Natriumbentonit (3) Flammschutz durch Nanobentonit Organische Verbindung „Organo-Ton“ (2) „Entblätterung“ (Exfolierung) der Stapel aus Organobentonitplättchen und gleichmäßige Verteilung im Kunststoff Länge und Breite: je 100–500 nm Höhe: 1 nm Unterrichtsmaterial Nanotechnologie Ohne Nanobentonit Mit 5 % Nanobentonit ABBILDUNG 4–3 4. Mehr Nutzen im Alltag Nano bringt Farbe ins Spiel Lichtbrechung der Perlglanzpigmente Winkelabhängigkeit der Farbe Nanometer MetalloxidBeschichtung (TiO2 oder Fe2O3) Die Farbe der Perlglanzpigmente hängt von der Dicke ihrer Metalloxidbeschichtung ab. Das einfallende weiße Licht wird an ihrer oberen und unteren Grenzfläche so reflektiert, dass sich die zurückgeworfenen Lichtstrahlen dabei auslöschen oder verstärken (Interferenz). Unterrichtsmaterial Nanotechnologie Siliziumdioxidplättchen Durch die unterschiedlichen Wegstrecken des Lichtstrahls entstehen unterschiedliche Interferenzfarben, abhängig vom Betrachtungswinkel. ABBILDUNG 4–4 4. Mehr Nutzen im Alltag Nano hält sauber Selbstreinigung von Lotusblättern Beispiel: Farbstoffe Mikrostrukturen mit Nano-Wachs-Kristallen auf der Blattoberfläche Oberfläche mit Lotus-Effekt Wasser Schmutzpartikel Schmutzpartikel haften besser am Wassertropfen als an der Oberfläche und werden dadurch entfernt Unterrichtsmaterial Nanotechnologie Technische Umetzung des Lotus-Effekts Beispiel: Fassadenfarben Glatte Oberfläche (Easy-to-clean) Wasser Schmutzpartikel Schmutzpartikel werden durch Wasser nur verlagert ABBILDUNG 5–1 5. Bessere Gesundheitsversorgung Nanopartikel-Magnetbeads in immunologischen Schnelltests Schnelltest zum Nachweis von Bakterien in Wasser Zugabe von antikörperbeschichteten Kügelchen (Beads) in eine Wasserprobe Nanopartikel mit Antikörperbeschichtung Unterrichtsmaterial Nanotechnologie Durchmischen der Probe: Gezielt nachzuweisende Bakterien werden von Beads eingefangen Nachzuweisende Bakterien Ein starker Magnet: Die Beads konzentrieren sich mit dem Bakterien-AntikörperKomplex an der Gefäßwand Sonstige Bakterien ABBILDUNG 5–2 5. Bessere Gesundheitsversorgung Krebsbekämpfung mit magnetischen Nanopartikeln Die Magnetfeld-Hyperthermie-Therapie 1. Links: Hirntumorzelle Rechts: Therapeutischer Eisenoxid-Nanopartikel 2. Die therapeutischen Nanopartikel tragen eine biochemische Hülle. 3. Die Nanopartikel-Dispersion wird in den Hirntumor gespritzt. 4. Rechts: Die Partikel werden von den Krebszellen aufgenommen. Links: Gesundes Gewebe 5. Das erkrankte Gewebe wird einem hochfrequenten magnetischen Wechselfeld ausgesetzt. 6. Die Nanopartikel haben sich im Tumor stark angereichert. 7. Die Nanoteilchen geraten in Schwingungen und erhitzen sich. Copyright © 2007 MagForce Nanotechnologies AG Unterrichtsmaterial Nanotechnologie ABBILDUNG 5–3 5. Bessere Gesundheitsversorgung Magnetische Nanopartikel Der „Rosensweig-Effekt“ Magnetische Flüssigkeiten sind kolloidale Dispersionen von magnetischen Nanopartikeln in einer Trägerflüssigkeit, z. B. Wasser Ferrofluid Unterrichtsmaterial Nanotechnologie „Igelstruktur“ eines Ferrofluids ABBILDUNG 5–4 5. Bessere Gesundheitsversorgung Nanobiotechnologie im Gesundheitswesen – Pharmazie Entwicklung neuer Medikamente – Varianten eines Nanopartikelträgers für Arzneistoffe „Lang zirkulierende“ Struktur „Lang zirkulierende“ und „zielgerichtete“ Struktur Hydrophile Polymerketten z. B. PEG* Polymere NanopartikelMatrix „Konventionelle“ Struktur ArzneistoffMoleküle Zell-spezifische Liganden z. B. Antikörper „Zielgerichtete“ Struktur * PEG = Polyethylenglycol Unterrichtsmaterial Nanotechnologie ABBILDUNG 5–5 5. Medizin und Gesundheit Cochleaimplantat aus einer Formgedächtnislegierung Implantat mit Empfangsspule Sendespule Sprachprozessor Hörnerv Hörschnecke/Cochlea Formgedächtnismaterial Elektroden Unterrichtsmaterial Nanotechnologie ABBILDUNG 5–6 5. Bessere Gesundheitsversorgung Formgedächtnismaterialien für Cochlea-Implantate Struktur bei erhöhter Temperatur = = Struktur bei niedriger Temperatur Unterrichtsmaterial Nanotechnologie Bei der Phasenübergangstemperatur erfolgt definierte Verformung ABBILDUNG 6–1 6. Umwelt und Energie Nano steigert Power Sonnenlicht Reflexion AntireflexSchicht Photovoltaikmodul oder Sonnenkollektor > 90 % > 95 % Lichtenergieausbeute Unterrichtsmaterial Nanotechnologie ABBILDUNG 6–2 6. Umwelt und Energie Nanoschichten und -materialien in organischen Photovoltaik-Elementen Elektron-Loch Paar Metallelektrode Selektive Injektionsschicht Exziton Transparente Metall-Oxid Schicht Glassubstrat Photon Photon Unterrichtsmaterial Nanotechnologie Elektron-Donor Material Elektron-Akzeptor Material ABBILDUNG 6–3 6. Umwelt und Energie Nanomaterialien (z. B. CNT) in Verbundwerkstoffen (1) Kohlenstoffnanoröhren, engl. carbon nanotubes (CNTs) Zick-ZackKonformation Sesselkonformation Chirale Konformation Unterrichtsmaterial Nanotechnologie ABBILDUNG 6–4 6. Umwelt und Energie Nanoporöse Dämmstoffe – Aerogele Aerogel-Granulat Unterrichtsmaterial Nanotechnologie Aerogel: extrem niedrige Wärmeleitfähigkeit ABBILDUNG 6–5 6. Umwelt und Energie Ultrafiltration von Prozessabwässern mit nanoporösen Filtern Unterrichtsmaterial Nanotechnologie ABBILDUNG 7–1 6. Umwelt und Energie Schichtaufbau einer Organischen Leuchtdiode – OLED Transparente Kathode Lichtaustritt Siliciumschichtträger Organische Schichten Anode Unterrichtsmaterial Nanotechnologie z. B. Aluminium-tris(8-hydroxychinolin) ABBILDUNG 8–1 8. Sicherheit Chancen und Risiken der Nanotechnologie Fragestellungen der Forschung Verhalten von Nanomaterialien in den Stufen Herstellung -> Gebrauch -> Entsorgung / Recycling Untersuchung möglicher Wirkungen auf den Menschen und die Umwelt: • Aufnahmewege in Organismen • Verteilung, Verweildauer und Ausscheidung • Biologische/toxikologische Wirkungen (z. B. Entzündungsreaktionen, Allergien) Vorausschauendes Handeln • • • • • Entwicklung von Testsystemen für Nanomaterialien Standardisierung der Testsubstanzen Etablierung von Messverfahren am Arbeitsplatz Geeignete Maßnahmen zum Schutz der Arbeitnehmer (z. B. Luftfilter) Kontinuierliche Weiterentwicklung von Handlungsempfehlungen für den sicheren Umgang mit Nanomaterialien Unterrichtsmaterial Nanotechnologie ABBILDUNG 10–1 10. Ausbildung und Karriere Nano-Bildungslandschaften Ausbildungs- und Studiengänge in Deutschland www.nano-bildungslandschaften.de Unterrichtsmaterial Nanotechnologie
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