Teil 4 - Warum "nano"? - Swiss Nano Cube

SNC Grundlagen-Modul
4. Warum „nano“?
Folie 1:
Das Besondere an Nanomaterialien sind ihre "neuen" Eigenschaften. Wenn ein Material (zum
Beispiel ein Metall wie Aluminium) so lange zerkleinert wird, bis die Teilchen schliesslich nur
noch wenige Nanometer klein sind, zeigen sie mit abnehmender Grösse plötzlich neue
Eigenschaften. Das entstandene feine Pulver verändert seine physikalischen Eigenschaften,
obwohl der Stoff chemisch noch genau derselbe ist.
Aluminiumfolie ist chemisch sehr stabil und wenig reaktionsfreudig. Man kann sie gut im
Haushalt verwenden. Aluminium-Nanopartikel mit 80 nm Durchmesser sind das Gegenteil
davon: Sie werden als Raketentreibstoff eingesetzt.
Quelle: www.spiegel.de/wissenschaft/technik/0,1518,656774,00.html
Ähnlich wie Aluminium verhält sich auch Eisen. Ein Experiment zur veränderten Reaktivität
findet sich in der NanoTeachBox auf der SNC-Webplattform.
Nanochemie-Modul, Experiment „Pyrophores Eisen“:
www.swissnanocube.ch/nanoteachbox/module
Folie 2:
Ein weiteres Beispiel für veränderte Eigenschaften ist der Farbwechsel bei Gold. In
Abhängigkeit der Partikelgrösse ändert es nämlich seine Farbe. Während makro- und
mikorskaliges Gold die typische gelb-glänzende Erscheinungsform hat, sind Gold-Nanopartikel
rot. Dies liegt daran, dass in diesem Fall der Partikeldurchmesser im Bereich der Wellenlängen
des sichtbaren Lichts liegt. Die Nanopartikel wechselwirken mit diesen Wellen, was dazu führt,
dass sich ihre optischen Eigenschaften drastisch verändern. Die Farbe der Partikel ist abhängig
von der Grösse der Partikel. Im Bereich von 20 bis 30 nm erscheinen sie rötlich. Werden die
Partikel grösser, verändert sich die Farbe von rot nach blau.
Nano-Goldpartikel sind beispielsweise für die satte rote Farbe von Kirchenfenstern
(Goldrubinglas) verantwortlich. Aber auch bei Schwangerschaftstest kommen sie zum Einsatz.
Weitere Informationen zur Theorie der Farbveränderungen sowie Experimentieranleitungen mit
Gold-Nanopartikeln finden sich in der NanoTeachBox auf der SNC-Webplattform.
Nanochemie-Modul, Experimente „Goldrubinglas“ und „Nanogold“:
www.swissnanocube.ch/nanoteachbox/module.
Folie 3:
Auf Folie 3 sind verschiedene Eigenschaften zusammengestellt, die in den Nanotechnologien
genutzt werden.
1) Dimensionsbedingte Eigenschaften:
Manche Dinge müssen einfach sehr klein sein, damit sie ihr „Ziel“ erreichen können.
Dies ist v.a. in der Medizin der Fall. Kleine Kapseln, die beispielsweise Medikamente zu
Tumorzellen tragen, müssen die Blutbahnen und Zellschranken durchdringen können.
Zudem können durch die Kleinheit der Nanostrukturen biologische Funktionalitäten
genutzt werden, die auf molekularer Erkennung beruhen. Dies wird z.B. in der
medizinischen Analytik genutzt.
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Weitere Informationen zu „nano“ in der Medizin finden sich auf der SNC-Webseite:
www.swissnanocube.ch/anwendungen-produkte/anwendungsbereiche/nano-medizin
2) Superhydrophobie:
Heute ist es dank den Nanotechnologien möglich, Oberflächen von Fassaden,
Scheiben oder Autokarosserien so zu beschichten, dass diese selbstreinigende
Eigenschaften besitzen. Dank spezieller Nanostrukturen können unerwünschte
Verschmutzungen nicht auf der Oberfläche haften bleiben. Diesen Effekt haben die
Erfinder der Natur abgeschaut (siehe auch Kapitel 5 „Nano in der Natur“)!
Die Blätter der Lotuspflanze weisen Oberflächenstrukturen auf, welche
wasserabweisend und im Nanometerbereich extrem rau sind. Eine raue Oberfläche hat
den Vorteil, dass Wasser in Tropfenform von der Oberfläche abrollen kann. Die raue
Struktur ermöglicht auch eine starke Verringerung der Kontaktfläche zu einzelnen
Schmutzpartikeln, so dass diese nicht haften bleiben und von den Wassertropfen
mitgerissen werden.
Heute im Einsatz sind wenige Nanometer dünne, transparente
Oberflächenbeschichtungen, die wasser- und/oder fettabweisend sind
(superhydrophobe Oberflächen).
Weitere Informationen und Experimentieranleitungen finden sich im Lotus-Modul:
www.swissnanocube.ch/nanoteachbox/module/liste/#m8.
3) Hohe spezifische Oberfläche:
Die Reaktivität eines Stoffes (Element, Verbindung) kann erhöht werden, indem man
ihn in Form von Nanopartikeln verwendet. Dies hat damit zu tun, dass kleinere Partikel
eine grössere Oberfläche im Verhältnis zu ihrem Volumen besitzen. Eine grössere
Oberfläche bedeutet, dass ein grösserer Anteil an Atomen mit der Umgebung in
Kontakt kommt und mit ihr reagieren kann. Ein Gramm Nanopartikel einer bestimmten
Substanz hat eine viel grössere Kontaktfläche zur jeweiligen Umgebung als ein Gramm
Makropartikel der gleichen Substanz. Diesen Effekt macht man sich zum Beispiel bei
der Herstellung von Katalysatoren zunutze, wo die Reaktionsfläche von entscheidender
Bedeutung ist.
Beispiele für die Nutzung der erhöhten Reaktivität ist das vorher erwähnte Metall
Aluminium als Raketentreibstoff.
Weitere Informationen und Experimentieranleitungen finden sich im SNC Nanochemie-
Modul „Pyrophores Eisen“: www.swissnanocube.ch/nanoteachbox/module/liste/#m5.
4) Verbesserte mechanische Stabilität:
Eine bestimmte Art von Nanopartikeln, sogenannte Kohlenstoff-Nanoröhrchen
(englisch: Carbon Nano Tube, CNT), sind gleichzeitig sehr leicht und sehr stabil. Sie
sind viel fester als Stahl und haben dabei weniger Gewicht als das selbe Volumen des
Metalls Aluminium. CNTs werden als Bestandteile von Verbundwerkstoffen eingesetzt.
Dort sorgen sie dafür, dass Produkte wie Fahrradrahmen oder Tennisschläger leichter
und trotzdem stabil sind.
5) Veränderte elektrische und thermische Eigenschaften:
Der Transport von Ladung oder Wärme wird durch die Nanodimension bestimmt. Der
elektrische Widerstand in CNTs ist beispielsweise sehr klein. Zudem können neue
Effekte auftreten (z.B. Tunneleffekte: Teilchen durchdringen hohe Potenzialbarrieren).
Auch die Wärmeleitfähigkeit eines Materials kann sich verändern.
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6) Veränderte optische Eigenschaften:
Siehe Folie 2.
Weitere Informationen und Experimentieranleitungen finden sich im SNC Nanochemie-
Modul „Goldrubinglas“ und „Nanogold“:
www.swissnanocube.ch/nanoteachbox/module/liste/#m5.
7) Superparamagnetismus
Materialien können auch ihre magnetischen Eigenschaften verändern, wenn sich ihre
äusseren Dimensionen verkleinern. Ein Beispiel dafür ist der Magnetit. Im Vergleich zu
den ferromagnetischen makroskopischen Partikeln sind die Magnetit-Nanopartikel
superparamagnetisch. Dadurch können sie beispielsweise in der Medizin eingesetzt
werden: Diese magnetischen Nanoteilchen können in die Krebszellen eindringen und
sich dort ablagern. Wenn anschliessend ein Magnetfeld an das Gewebe angelegt wird,
wandeln die Teilchen die zugeführte Energie in Wärme um. Die sich entwickelnde Hitze
kann dann das Tumorgewebe abtöten.
Weitere Informationen und Experimentieranleitungen finden sich im SNC Nanochemie-
Modul „Ferrofluid“: www.swissnanocube.ch/nanoteachbox/module/liste/#m5.
Wikipedia listet unter dem Eintrag „Nanoteilchen“ (http://de.wikipedia.org/wiki/Nanoteilchen) die
folgenden speziellen Eigenschaften auf:
- höhere chemische Reaktivität durch große spezifische Oberfläche (große
Teilchenoberfläche im Verhältnis zum Volumen) möglich
- geringer Einfluss von Massenkräften (Gewichtskraft) und zunehmender Einfluss von
Oberflächenkräften (z. B. Van-der-Waals-Kraft)
- zunehmende Bedeutung von Oberflächenladung sowie thermodynamischen Effekten
(Brownsche Molekularbewegung)
- daraus können stabile Suspensionen aber auch Aggregatbildung resultieren
- spezielle optische Eigenschaften.
Viele der oben erwähnten „neuen“ Eigenschaften basieren auf sogenannten Quanteneffekten.
Dies liegt darin begründet, dass Objekte der „Quantenwelt“ (z.B. Atome oder Elektronen)
andere „Verhaltensweisen“ zeigen als Objekte der „klassischen“ Welt.
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