nanotech no logie

Vorlesung “Nanotechnologie -Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts”

Prof. Dr. Gerd GanteförFachbereich PhysikUniversität Konstanz

28. April: Was ist "Nano"?5. Mai: Naturgesetze der Nanowelt: Alles ist hier ganz anders12. Mai: Vorstoß in die Nanowelt: neue Techniken und Werkzeuge?19. Mai: Nutzen und Gefahren der Nanowelt26. Mai: Die Zukunft: Alles ist möglich ?

1. Kohlenstoff-Nanoröhren2. Nanobeschichtung3. Nanomedizin4. „Nano“ im Alltag5. Gefahren

1. Kohlenstoff-Nanoröhren2. Nanobeschichtung3. Nanomedizin4. „Nano“ im Alltag5. Gefahren

1. Kohlenstoff-Nanoröhren Herstellung Eigenschaften Einsatzmöglichkeiten

reiner Kohlenstoff: Graphit reiner Kohlenstoff: Diamant

reiner Kohlenstoff: Fasern?

http://www.mfa.kfki.hu/int/nano/results/2005/spray

Zettl Laboratorium , Berkeley

Single- Wall Nanotube

Multi-Wall Nanotube

http://physics.berkeley.edu/research/zettl/projects/imaging.html

Abstand der Ebenen:0,3 nm

gerollter Graphit

Herstellung Nanotubes

http://cobweb.ecn.purdue.edu/~mdasilva/arc%20setup.JPG

Extreme EigenschaftenEigenschaft Nanoröhren

Größe 1 nm Durchmesser

Dichte 1,4 g/cm2 (halb so dicht wie Aluminium)

Zugfestigkeit 20-fach wie die von hochfesten Stahllegierungen

Verformbarkeit verbiegbar & kehrt in ursprüngliche Form zurück

Strombelastbarkeit 1000-fache wie die von Kupferdrähten

Feldemission bei 50-fach kleinerem Wert als Molybdän

Wärmeleitung doppelt so groß wie von Diamant

Wärmestabilität so gut wie Metalldrähte in Mikrochips(in Vakuum sogar besser)

Kosten 150 mal so teuer wie Gold

Rastersondenmikroskope

Nanoröhren als Spitzen Steigerung der Auflösung um Faktor 10

Nano-MOSFET

http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Transistor_CNFET.jpg&filetimestamp=20070629074929

Beleuchtungselemente

• Feldemitter auf Nanoröhren-Basis• Scharfen Spitzen der Nanoröhren als

Quelle für Elektronen durch Feldemission

• Vakuumröhren-Lampen in 6 Farben• doppelt so hell wie konventionelle

Glühbirnen & langlebiger• kommen mit 1/10 der Energie aus

Flachbildschirme• Nanoröhren in dünnem Film auf

Kontrollelektronik & leuchtstoffbeschichtetes Glas darüber

• Elektronen werden wie beim herkömmlichen Fernsehgerät gegen Leuchtschirm beschleunigt

• 36 Nanoröhren-Häufchen feuern in Abstand von 1 mm Elektronen auf Bildpunkt

• Bildpunkt besteht aus phosphorhaltigem Film, der in 3 Grundfarben blau, gelb, rot anregbar

• hergestellt von Samsung

Kohlenstoff-Nanoröhren

Flachbildschirme von Samsung

Vorteile:

"Nano" ohne LithografieLange Haltbarkeit

rund ums Auto

• Benzinleitungs-Hüllen mit elektrisch leitende Nanoröhren=> unterdrücken Kriechströme, aus denen Funken entstehen

• leitende Nanoröhren (der Firma Hyperion Catalysis International) erleichtern Lackierung von Plastikteilen am Auto:

– mit Nanröhren-Gehalt von 4% lässt sich Plastik erden

– elektrisch hochaufgeladene Lacktröpfchen haften nach Aufsprühen an Oberfläche anstatt zu verlaufen=> gleichmäßigere Lackierung

Kohlenstoff-Nanoröhren

Weitere Einsatzmöglichkeiten

• Nanoröhren-Speicher:– Nanoröhren zwischen 2 Elektroden– Elektrisches Feld zw. Elektroden lässt Nanoröhre zusammenziehen / strecken– Im gestreckten Zustand stellt sie elektrischen Kontakt her => Stromfluss

• Verbesserung von Kunststoffen:– Tennisschläger– Leitfähige Antistatikfolien

• Hyperempfindliche Sensoren:– halbleitende Nanoröhren ändern elektrischen Widerstand, wenn sie Halogenen / Gasen

ausgesetzt

• Nanopinzetten:– 2 Nanoröhren an Elektroden auf Glasstab können sich bei Spannungsänderungen öffnen &

schließen– Verwendung zum Aufnehmen & Bewegen von 500 nm großen Objekten

Kohlenstoff-Nanoröhren

Movie Nanoröhren

1. Kohlenstoff-Nanoröhren2. Nanobeschichtung3. Nanomedizin4. „Nano“ im Alltag5. Gefahren

Nanobeschichtung Autolack Lotuseffekt Selbstreinigendes Glas

Nano-Autolack

Kratzfester Lack mit Nanoteilchen

http://www.spiegel.de/auto/aktuell/0,1518,387405,00.html

4 Lagen:KorrosionsschutzGlättungFarbschichtKlarlack

Klarlack durch keramischeNanopartikel kratzfest.Nanopartikel durchsichtig, dakleiner als Wellenlänge des Lichts.

Zukunft: Selbstheilung von Kratzern:Frischer Lack in Nanokapselnim Lack gelagert.

Lotuseffekt

Filme\lotusv2.avi

• Wasser perlt in Tropfen ab & nimmt alle Schmutzpartikel auf Oberfläche mit

• Ursache: Nanostrukturierung der Oberfläche (Spitzen) & gleichzeitig stark hydrophob

hydrophil(Kontaktwinkel <90°)

hydrophob(Kontaktwinkel >90°)

superhydrophob(Kontaktwinkel >90°)

Kontaktwinkel

• Je höher Kontaktwinkel, desto hydrophober Oberfläche

Superhydrophobie:• nur 2 bis 3 % der Tropfenoberfläche

mit Oberfläche in Kontakt

Silikon-Nanofilamente

http://de.wikipedia.org/wiki/Silikonnanofilamente

Silikon: Siliziumatome über Sauerstoffatome vernetzt plus organische Endgruppen). Nanogewebe aus Silikonfilamenten.

Bedeutung des Lotuseffektes• Pflanzen: Schutz vor Besiedlung durch

Mikroorganismen, Krankheitserregern, Keimen oder Bewuchs mit Algen

• ähnlich für Tiere wie Schmetterlinge, Libellen & andere Insekten, die mit Beinen nicht jede Stelle ihres Körpers zum Säubern erreichen

• Verhinderung von Verschmutzungen, die Lichteinfall & damit Fotosynthese vermindern & Spaltöffnungen verschließen

• 1999 erstes kommerzielles Produkt:selbstreinigende Fassadenfarbe (Lotusan)

• heute: weltweit 600.000 Gebäude mit Lotus-Oberflächen ausgestattet

Glas mit selbstreinigenden Eigenschaften

• Schmutz kann sich nur schwer auf Oberfläche festsetzen

• bei Regen wird Schmutz von abfließendem Wasser abgewaschen

• verzögert Verschmutzung & erleichtert Reinigung

• z.B. an Mautsystemkameras der Bundesautobahnen in Deutschland eingesetzt

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Nanomedizin Bildgebung Implantate Therapie und Diagnostik

Bessere Bildgebung

• Kontrastmittel für bildgebenden Verfahren der Tomographie

• Störungen in früherem, besser behandelbarem Stadium erkennen

• Tumore nachweisen, die erst aus wenigen Zellen bestehen

Überlegene Implantate

• Reparatur von Geweben wie Haut, Knochen & Knorpeln vereinfachen

• Oberflächen aus Nanostrukturen ergeben langlebigere, biokompatible Implantate

• mit Nanopartikeln beschichtetes künstliches Hüftgelenk würde sich fester mit umgebenden Knochen verbinden

Lokale Hyperthermie I

• Gold-Nanopartikel, die sich spezifisch an Tumoren anlagern

• Goldteilchen absorbieren Infrarotstrahlung

Lokale Hyperthermie II

Möglichkeit 2:• superparamagnetische Nanopartikel

direkt in Tumor injizieren

• durch angelegtes magnetisches Wechselfeld Tumor erhitzen & zerstören

• Vermarktung über Firma Magforce Nanotechnologies

Filme\Animation_der_Nanostart_Beteiligung_MagForce_Nanotechnologies_AG_über_ihre_Nano_Krebs®_Therapie.avi

Gezielte Injektion mit Dendrimeren

• Kunststoffe, die sich wie Baumkrone verzweigen

• kugelförmig, groß wie Protein, stabil

• definierte Hohlräume Behälter für Wirkstoffe

• aufquellen durch Auslösermoleküle Inhalt entweicht

http://www2.thphy.uni-duesseldorf.de/~likos/archive/ac_dt.pdf

Nano-Strichcodes• Latexperlen mit Quantenpunkten

gefüllt, z.B. 4 Größen, d.h. 4 Farben, wobei jede in anderer Konzentration

• abgegebenes Licht durch Prisma=> 4 separate Spektrallinien,relative Intensitäten von Konzentrationsverhältnis der Quantenpunkte abhängig

• Ergebnis: Spektral-Strichcode

• Anwendungsmöglichkeit:Markierung unterschiedlicher DNA-Moleküle mit Latexperlen=> leichter Zugang zu Erbmaterial in Proben

1. Kohlenstoff-Nanoröhren2. Nanobeschichtung3. Nanomedizin4. „Nano“ im Alltag5. Gefahren

Nano im Alltag Nanopapier Nanoschaum (Aerogel) Sonnenschutzmittel Solarzelle

NanopapierZellulosefasern mit 20 nm, transparent

• geeignet als Träger für elektronische Schaltungen

• Eigenschaften: sehr stabil, gute Wärmeleitung

Strich: 100nm Strich: 200µm

Aerogel: Gefrorener Rauch

http://de.wikipedia.org/wiki/Aerogel

Schaumartig, dendritische.Poren im Nanometerbereich. Innere Oberflächen bis zu 2000m2 pro Gramm. Aus verschiedenen Materialien,meist Silikate.

Ein 2,5 kg schwerer Ziegel getragen von einem 2 g schweren Stück Aerogel (NASA)

Organisches Aerogel im Rasterelektronen-Mikroskop vergrößert dargestellt.

http://www.dlr.de/desktopdefault.aspx/tabid-376/1328_read-115/date-92/

Sonnenschutzmittel

• transparente Sonnenschutzmittel

• Partikel aus Titandioxid absorbieren gefährliche UV-Strahlung

• durchsichtig, da Teilchendurchmesser 50 nm sichtbares Sonnenlicht mit viel längeren Wellenlängen wird nicht mehr gestreut wie bei weißer Sonnenmilch

• dringen nicht durch die Haut

Animation: Nanoreisen

1. Kohlenstoff-Nanoröhren2. Nanobeschichtung3. Nanomedizin4. „Nano“ im Alltag5. Gefahren

Movie: Gefahren

Vorlesung “Nanotechnologie -Schlüsseltechnologie des 21. Jahrhunderts”

Prof. Dr. Gerd GanteförFachbereich PhysikUniversität Konstanz

28. April: Was ist "Nano"?5. Mai: Naturgesetze der Nanowelt: Alles ist hier ganz anders12. Mai: Vorstoß in die Nanowelt: neue Techniken und Werkzeuge?19. Mai: Nutzen und Gefahren der Nanowelt26. Mai: Die Zukunft: Alles ist möglich ?