nanotech no logie
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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
1. Kohlenstoff-Nanoröhren2. Nanobeschichtung3. Nanomedizin4. „Nano“ im Alltag5. Gefahren
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 ?