Grundlagen-Modul - Swiss Nano Cube

Bildungsplattform zur Mikro- und Nanotechnologie für
Berufsfach- und Mittelschulen sowie Höhere Fachschulen
Grundlagen-Modul
Begleitinformation
Gesamtversion
Mai 2011
Marianne Dietiker, Stephan Knébel, Christoph Meili

Kontakt:
Die Innovationsgesellschaft St. Gallen
Lerchenfeldstrasse 5, 9014 St. Gallen
Tel. +41 (0) 71 274 72 66
Mail: info@innovationsgesellschaft.ch
www.swissnanocube.ch
Version Mai 2011
SNC Grundlagen-Modul
Dieses Modul wurde von der Innovationsgesellschaft St. Gallen im Rahmen des Projektes
Swiss Nano-Cube realisiert. Autoren: Marianne Dietiker, Stephan Knébel, Christoph Meili.
Bild Titelseite: Fulleren.
© Swiss Nano-Cube/April 2011 www.swissnanocube.ch Kontakt

Inhalt
SNC Grundlagen-Modul
1. Wie klein ist „nano? ................................................................................................................ 1
2. Definitionen ............................................................................................................................ 3
3. Herstellung ............................................................................................................................. 5
4. Warum „nano“? ...................................................................................................................... 6
5. Nano im Alltag ........................................................................................................................ 9
6. Anwendungsgebiete ............................................................................................................ 11
7. Nano in der Natur ................................................................................................................. 14
© Swiss Nano-Cube/April 2011 www.swissnanocube.ch Inhaltsübersicht

1. Wie klein ist „nano?
Folie 2:
(Foliennummern passend zum Foliensatz „Gesamtversion“)
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Nanotechnologien sind die Wissenschaften "des Kleinen". Die Vorsilbe "nano" stammt aus dem
Griechischen und wurde aus dem Wort "nanos" für Zwerg abgeleitet. Ein Nanometer entspricht
einem Milliardstel Meter (10 -9 m) oder einem Millionstel Millimeter (10 -6 mm).
In einem Stückchen Gold findet man auf der Länge eines Nanometers ca. 3 Goldatome.
Folie 3:
Die Grössenordnung der Nano-Dimension wird anhand verschiedener Beispiele aus der
Biologie aufgezeigt. (Quelle: Fonds der chemischen Industrie FCI – Foliensatz)
Folie 4:
Der Film „Powers of Ten“ versucht ebenfalls die Grössenordnung der Nano-Dimension
darzustellen. Die dazugehörende Webseite www.powersof10.com bietet zusätzlich zum Film
auch Informationen zu den einzelnen Bildern, Beschreibungen von Werkzeugen, etc. (leider nur
in Englisch!).
Folie 5:
Die Webseite http://primaxstudio.com/stuff/scale_of_univers bietet eine moderne Version von
„Powers of Ten“. Man kann durch die Grössenordnungen zoomen und dabei jeweils passende
Objekte entdecken.
Folie 6:
Die Nano-Dimension kann auch mit der Bildung von Grössenverhältnissen dargestellt werden.
So ist das Verhältnis des Durchmessers der Erde zu dem des Fussballs gleich wie das des
Fussballs zu einem „Fulleren“. Ein Fulleren ist ein kugelförmiges Molekül aus 60
Kohlenstoffatomen mit ungefähr 1 nm Durchmesser.
Zusatzmaterial:
Arbeitsauftrag für Lernende:
Die Grössenkarten werden ausgedruckt und ausgeschnitten (z.B. ein Satz Karten pro
Zweierteam). Die Karten müssen dann je einer Grössenordnung zwischen 10 2 m und 10 -11 m
zugewiesen werden.
(Quelle: www.accessnano.org/teaching-modules/scale-measurement)
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Lösung:
Wasserstoffatom 10 -11 m
Wasser-Molekül 10 -10 m
Breite des DNA-Moleküls 10 -9 m
Rhinovirus (Schnupfenvirus) 10 -8 m
Influenzavirus (Grippevirus) 10 -7 m
Bakterien (Staphylococcus aureus) 10 -6 m
Rote Blutkörperchen 10 -5 m
Durchmesser eine Haares 10 -4 m
Floh 10 -3 m
Durchmesser eine Münze 10 -2 m
Fussball 10 -1 m
Grösse eines Kindes 10 0 m
Länge eines Lastwagens 10 1 m
Länge eines Zugs 10 2 m
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2. Definitionen
Folie 8:
Was ist Nanotechnologie?
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Mit Hilfe der Nanotechnologien will man in einem ersten Schritt verstehen und erforschen, was
sich auf der Nanoebene abspielt. In einem zweiten Schritt geht es darum, Nanomaterialien oder
nanotechnologische Prozesse ganz gezielt kontrollieren zu können und sie für technische
Zwecke zu nutzen.
Auf den Webseiten der internationalen Organisation für Normung (ISO) und der Organisation
für wirtschaftlich Zusammenarbeit und Entwicklung (OECD) finden sich Definitionen des Begriffs
"Nanotechnologie".
Definition nach ISO (Norm 80004-1):
Nanotechnologie ist die Anwendung von wissenschaftlichen Erkenntnissen, um Materialien im
Nanomassstab zu verändern und zu kontrollieren und um ihre grössen- und strukturabhängigen
Eigenschaften und Phänomene zu nutzen, die sie von einzelnen Atomen oder Molekülen oder
von Bulk-Materialien (Materialien mit grossen Dimensionen) unterscheiden.
Definition der OECD:
Die Nanotechnologie setzt sich zusammen aus allen Technologien, welche die Veränderung,
Erforschung oder Nutzung von sehr kleinen Strukturen (üblicherweise kleiner als 100 nm) oder
Systemen ermöglichen. Die Nanotechnologie leistet einen Beitrag zur Entwicklung neuer
Materialien, Geräte und Produkte, die qualitativ andersartige Eigenschaften haben. Sie hat das
Potential, praktisch alle Wirtschaftsbereiche und Aspekte des täglichen Lebens zu beeinflussen.
Folie 9:
Disziplinen verschmelzen
Die Nanotechnologie zeichnet sich zudem dadurch aus, dass es sich um eine interdisziplinäre
Technologie handelt. Das heisst, dass die Nanotechnologie klassische Bereiche wie die
Chemie, die Physik und die Biologie vereint. Die Grenzen zwischen diesen Disziplinen sind
unscharf, nähern sich an und „verschmelzen“.
Folie 10:
Was ist ein Nanomaterial?
Meistens wird der Begriff "Nanomaterial“ gebraucht, wenn ein 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 natürlich auch zu den Nanomaterialien gezählt werden.
Nanomaterialien lassen sich grundsätzlich in zwei Gruppen unterteilen:
1) Nanostrukturierte Materialien: Innere Struktur oder Oberflächenstruktur im
Nanometermassstab (z.B. Nano-Komposite. Das sind Werkstoffe, die aus mehreren
miteinander verbundenen Materialien bestehen).
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2) Nanoobjekte: Material mit einem, zwei oder drei Aussenmassen im
Nanometermassstab. Nanoobjekte lassen sich je nach der Anzahl Aussenmasse im
nm-Massstab in Nanopartikel, Nanofasern oder Nanoplättchen einteilen. Bei
Nanofasern unterscheidet man aufgrund ihrer Eigenschaften zudem Nanodrähte,
Nanoröhrchen und Nanostäbchen.
Gemäss den aufgelisteten Definitionen gehören beispielsweise Computerchips zu den
nanostrukturierten Materialien, während Titandioxidpartikel in Sonnencremes zu den
Nanoobjekten (Untergruppe: Nanopartikel) zählen.
Folie 11:
Beispiele für Nanomaterialein (nach der Anzahl ihrer Dimensionen geordnet):
� Punktförmige Strukturen: Partikel
� Linienförmige Strukturen: Kohlenstoff-Nanoröhrchen, lineare Strukturen in einem
photonischen Kristall (Lichtleiter)
� Schichtstrukturen: Dünnschichten oder Grenzflächen z.B. in Chips
� Porenstrukturen: Aerogel (Festkörper mit hoher Porosität)
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3. Herstellung
Folie 13:
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Nanopartikel entstehen u.a. in der Natur, z.B. bei Vulkanausbrüchen, Waldbränden oder durch
Erosion von Sandkörnern. Sie werden aber auch „unabsichtlich“ von Menschen verursacht, z.B.
beim Rauchen einer Zigarette oder beim Verbrennen von Diesel.
Bei der gezielten Herstellung von Nanopartikeln für technische Zwecke werden zwei
verschiedene Grundprinzipien unterschieden:
1) Top-down: von oben nach unten oder vom Grossen zum Kleinen
2) Bottom-up: von unten nach oben oder vom Kleinen zum Grossen
Folie 14:
Top-down: Vom Baum zum Brett (Idee von Walter Schmid und Ruedi Bürki)
Man beginnt mit etwas Grossen und „zerkleinert“, bis Nanostrukturen oder Nanoobjekte
entstehen. So wird z.B. bei der Chip-Herstellung durch das Wegätzen von Material
(Photolithographie) die gewünschte Nano-Struktur gestaltet.
Als weiteres Beispiel sei die Herstellung von Nano-Farbpigmenten für hochauflösende
Tintenstrahldrucker genannt. Die grossen Pigment-Körner werden dazu zusammen mit kleinen
Keramik-Kugeln in eine rotierende Trommel gegeben. Die Keramik-Kugeln arbeiten wie kleine
Mühlsteine und zertrümmern und zerkleinern die Pigmente bis sie nanoskalig sind.
Folie 15:
Bottom-up: Vom Keimling zum Baum
Durch die Manipulation einzelner Atome und Moleküle lassen sich z.B. mit Hilfe von
Rastertunnelmikroskopen neue Strukturen aufbauen. Diese Methode ist allerdings sehr, sehr
langsam. Darum setzt man bei dieser Herstellungsweise auf die Selbstorganisation von Atomen
und Molekülen. Das heiss, man schafft Bedingungen, welche die Nano-Bausteine dazu
zwingen, sich in der gewünschten Form zu verbinden oder auf einer Oberfläche anzulagern.
Als Beispiel sei die physikalische Gasphasenabscheidung (in Engl.: Physical Vapor Deposition
PVD) genannt. Sie wird zur Beschichtung von Blechen, Drähten, Gläsern oder Kunststoffen
eingesetzt. Das Beschichtungsmaterial wird in einer Vakuumkammer z.B. mit einem Laser- oder
Ionenstrahl beschossen, wodurch das Material verdampft. Der Dampf muss nun auf das zu
beschichtende Objekt geleitet werden (z.B. mit Hilfe eines elektrischen Feldes). Sobald die
Dampfteilchen auf das Objekt treffen, lagern sie sich auf dessen Oberfläche an (das heisst, sie
kondensieren). Auf der Oberfläche „wandern“ sie noch so lange umher (sie diffundieren), bis sie
einen energetisch günstigen Platz gefunden haben.
Zu den Bottom-up-Verfahren zählt übrigens auch das Galvanisieren (elektrochemische
Abscheidung eines Metalls auf eine Oberfläche). Dazu werden Metallionen in Lösung gebracht
und an der zu beschichtenden Oberfläche zu elementarem Metall reduziert.
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4. Warum „nano“?
Folie 17:
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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: http://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/liste/#m5
Folie 18:
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 allerdings 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/liste/#m5
Folie 19:
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 SNC-Modul „Lotus-
Effekt“: 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 18.
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Weitere Informationen und Experimentieranleitungen finden sich im SNC Nanochemie-
Modul „Goldrubinglas“ und „Nanogold“.
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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5. Nano im Alltag
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Die Nutzungsmöglichkeiten von nanotechnologischen Prozessen oder von Nanomaterialien für
die Herstellung von Konsumprodukten sind vielversprechend: Kratzfeste Pfannen,
selbstreinigende Fenstergläser, leichte und trotzdem stabile Fahrräder, usw.
Folie 21:
Folie 1 zeigt beispielhaft einige Konsumprodukte, die Nanomaterialien enthalten können.
Im Bereich der kosmetischen Produkte können Nanopartikel zum Beispiel in Haarpflegemitteln,
Hautcrèmes oder Sonnenschutzcrèmes eingesetzt werden. Nanoskaliges Titandioxid (TiO2)
oder Zinkoxid (ZnO) ist in Sonnenschutzprodukten relativ weit verbreitet, da es hochwirksamen
und zugleich unsichtbaren Schutz vor schädlichem UV-Licht bietet. Die Nanopartikel haben
üblicherweise eine Grösse von weniger als 50 nm und sind damit für sichtbares Licht
transparent, d.h. sie erscheinen nicht mehr als weisser Film auf der Haut. Trotzdem absorbieren
sie UVA- und UVB-Strahlung und schützen somit die Haut ausgezeichnet vor Sonnenbrand.
Nanospezifische Oberflächenbeschichtungen und Lacke werden z.B. in der
Automobilproduktion zunehmend wichtiger. Durch das Beifügen von Keramik-Nanopartikeln
(häufig Siliziumdioxid, SiO2) werden Autolacke und -farben kratzfester gemacht.
Die keimtötenden Eigenschaften von Silber werden immer öfter in Form von Nanopartikeln
genutzt. Diese finden zum Beispiel Anwendung in medizinischen Produkten wie Verbänden
oder als Oberflächenbeschichtung auf Türgriffen. Nanosilber wird auch in Textilien
eingearbeitet, wo es dafür sorgen kann, dass verschwitzte Socken nicht zu stinken anfangen.
In einigen Hightech-Sportgeräten (Fahrradrahmen, Tennisschläger) finden sich Kohlenstoff-
Nanoröhrchen (Carbon Nanotubes, CNT). Das 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. Sie sind extrem stabil und werden darum
beispielsweise in Kunststoffe eingearbeitet, um deren mechanische Eigenschaften zu
verbessern.
Folie 22:
Die „Woodrow Wilson“-Datenbank (Teil eines amerikanischen Projekts mit dem Namen „The
Project on Emerging Nanotechnologies: www.nanotechproject.org) ist ein internationales
Inventar aller Nano-Konsumprodukte.
Zurzeit (März 2011) sind darin 1317 Produkte aufgelistet. Die meisten davon gehören in die
Kategorie Gesundheit & Fitness. Darauf folgen mit deutlichem Abstand Haus & Garten,
Produkte für das Auto, Lebensmittel & Getränke, nicht eindeutig zuzuordnende Produkte,
Elektronik & Computer, Geräte und Produkte für Kinder.
(Quelle: www.nanotechproject.org/inventories/consumer/analysis_draft)
Folie 23:
Nicht immer ist auf den Konsumprodukten eine klare Deklaration zu finden, was daran „nano“
sein soll. 565 Produkte weisen aber aus, welche Nanomaterialien verwendet wurden. Mit
Abstand am häufigsten sind Produkte, die Nanosilber enthalten. Auf den weiteren Plätzen
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folgen Kohlenstoffe (Russ, Fullerene, CNTs), Titan (einschliesslich Titandioxid), Silizium
(einschliesslich Siliziumdioxid), Zink (einschliesslich Zinkoxid) und Gold.
Kurzportraits der oben erwähnten Nanomaterialien finden sich auf der SNC-Websteite:
http://www.swissnanocube.ch/grundlagen-nano/nanomaterialien/kurzportraits.
Folie 24:
Auf dem SNC-Webportal findet sich ein Quiz, das 42 Nano-Konsumprodukte vorstellt. Die
Produkte aus dem täglichen Leben sind in einer Loftwohnung versteckt und müssen aufgespürt
werden. Jedes Produkt hält zudem eine Nano-Frage bereit. Ein sehr informatives Spiel!
� www.swissnanocube.ch/nanorama/
Zusatzmaterial:
Zum Thema Konsumprodukte stehen auf dem SF-Videoportal zwei Filmbeiträge zur Verfügung:
SF, Kassensturz, 12. September 2006, Vorsicht Nano: Konsumenten sind ahnungslos
(www.videoportal.sf.tv/video?id=a609eca4-7296-43d6-9f13-624b0b5386e8)
"Viele alltägliche Produkte wie Putzmittel, Kosmetika, aber auch Kleider enthalten heute
Nanoteilchen. Über die Auswirkungen dieser Partikel auf Mensch und Umwelt ist jedoch kaum
etwas bekannt."
SF, Tagesschau, 23. Januar 2009, Studie Nanotechnologie
(www.videoportal.sf.tv/video?id=3b98aa79-ca22-4a42-aa3c-5d39d2b8f6b0)
"Die sogenannte Nanotechnologie wird mittlerweile auf fast allen Gebieten angewendet. Doch
seit langem machen Experten auch auf mögliche Gefahren dieser kleinsten Partikelchen
aufmerksam."
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6. Anwendungsgebiete
Folie 26:
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Nanotechnologien finden heute bereits in zahlreichen Produktions- und Industriebranchen
Anwendung. Die Folie gibt einen schematischen Überblick über die Gebiete (Quelle: Hessen
Nanotech-Broschüre „NanoProduktion“, Band 6, Download: www.hessennanotech.de/dynasite.cfm?dsmid=13995).
� Energie: Batterien (Abbildung), Superkondensatoren, Brennstoff- und Solarzellen,
thermische Kraftwerke, IR-Reflexionen/Verschreibung.
Konkrete Beispiele wären: preiswerte Solarzellen und leistungssteigernde
Photovoltaikkomponenten, effiziente Akkus mit beliebiger Formbarkeit,
Superisolationssysteme für Fenster- und Gebäudekomponenten, Thermoelektrika zur
Energierückgewinnung, Wasserstoffspeicher und Brennstoffzellen für neue
Antriebsformen.
Weitere Informationen z.B. in der Hessen Nanotech-Broschüre „Einsatz von
Nanotechnologien im Energiesektor (Band 9, Download: www.hessennanotech.de/dynasite.cfm?dsmid=13995)
� Konsumprodukte: Kosmetik (Abbildung), Sonnenschutz, antimikrobielle Textilien,
Verpackungen.
Siehe dazu auch Kapitel 5 „Nano im Alltag“.
� Automobil: Kratzfeste Decklacke (Abbildung), Leichtbau (Schäume, Polymere),
Korrosionsschutz, Sensoren, Katalyse (Verbrennung, Abgas).
Weitere Informationen z.B. in der Hessen Nanotech-Broschüre „Nanotechnologien im
Automobil“ (Band 3, Download: www.hessen-nanotech.de/dynasite.cfm?dsmid=13995)
� Bauindustrie: Saubere Oberflächen (Abbildung: Glasfassade), schaltbare Verscheibung,
Wärmedämmung, Korrosionsschutz.
Weitere Informationen z.B. in der Hessen Nanotech-Broschüre „Einsatz von
Nanotechnologien in Architektur und Bauwesen“ (Band 7, Download: www.hessennanotech.de/dynasite.cfm?dsmid=13995)
� Medizin/Gesundheit: Diagnostik, Therapie, Wirkstoff-Freisetzung, Tissue Engineering
(Gewebe).
Konkrete Beispiele wären: Schonende und hochselektive Krebstherapien,
langzeitdosierbare Wirkstoffdepots z.B. gegen Diabetes oder Neurodermitis, spezifisch
wirkende Pharmaka mit geringerer Nebenwirkung, präventivmedizinische
Diagnosesysteme für die Heimanwendung.
Weitere Informationen z.B. in der Hessen Nanotech-Broschüre „NanoMedizin“ (Band 2,
Download: www.hessen-nanotech.de/dynasite.cfm?dsmid=13995)
� Umwelt: Abwasserreinigung (Abbildung: Nanoskaliger Filter), Photokatalyse,
Umweltüberwachung.
Konkrete Beispiele wären: korrosionsbeständige Komponenten für alltäglich Produkte,
energieeffiziente Aufbereitungssysteme für die Trinkwasserherstellung, stabile
Leichtbauelemente für Gebäude, Maschinen, Autos und Flugzeuge, Ersatz toxischer
Substanzen durch Nanomaterialien.
Weitere Informationen z.B. in der Hessen Nanotech-Broschüre „Einsatz von
Nanotechnologie in der hessischen Umwelttechnologie“ (Band 1, Download:
www.hessen-nanotech.de/dynasite.cfm?dsmid=13995)
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� Optik: Entspiegelung (Abbildung: entspiegelte Linse), Photonik (Lichtleiter), optische
Speicher, Lichttechnik.
Konkrete Beispiele wären: energiesparende Beleuchtungssysteme mir einstellbarer
Farbwahl, abhörsichere Datenübertragungssytseme, leistungsstarke Bauelemente für
die Unterhaltungselektronik.
Weitere Informationen z.B. in der Hessen Nanotech-Broschüre „Nanotechnologien für
die optische Industrie“ (Band 5, Download: www.hessennanotech.de/dynasite.cfm?dsmid=13995)
� Chemie: (Abbildung: Aerogel) Wirkstoffsuche, Synthese/Katalyse, Sensoren,
Prozessüberwachung.
Weitere Informationen z.B. in der Hessen Nanotech-Broschüre „Materialeffizienz durch
den Einsatz von Nanotechnologien und neuen Materialien“ (Band 14, Download:
www.hessen-nanotech.de/dynasite.cfm?dsmid=13995)
� Elektronik, IT, Druck: Displays (z.B. OLED: organic light emitting diode = organische
Leuchtdiode, Abbildung), Polymerelektronik, Biochips, Passivierung.
Konkrete Beispiele wären: miniaturisierte Datenspeicher mit riesiger Speicherkapazität,
Laptops mit der Leistungsfähigkeit von ganzen Rechenzentren, grossflächige,
aufrollbare Flachbildschirme auf Basis organischer Leuchtdioden.
Weitere Informationen z.B. in der Hessen Nanotech-Broschüre „Nanotechnologie in
Kunststoffen (Band 15, Download: www.hessennanotech.de/dynasite.cfm?dsmid=13995)
Nicht in allen oben erwähnten Bereichen ist der Grad der Anwendung von Nanotechnologien
gleich gross. In vielen Bereichen sind die Produkte oder Prozesse noch im Forschungsstadium.
In Abb. 1 sind einige nanotechnologische Entwicklungen nach ihrem „Reifegrad“ aufgelistet.
Ganz links finden sich Nano-Produkte und Prozesse, die bereits auf dem Markt sind, während
rechts die neusten Nano-Forschungsobjekte zu finden sind.
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Selbstreinigende Fassadenelemente
OLED-Beleuchtung
Schmutzabweisende, umweltverträgliche Brandschutzmittel
antibakterielle Wandfarben
Hocheffizienter Wärme- & Schallschutz
Korrosionsschutzschichten
Nanomembranen zur Trinkwassergewinnung
Optimierte Batterien/Akkus
Preiswerte grossflächige Solarzellen
Abgaskatalysatoren Sensorische Umweltüberwachung
Funktionsoptimierter Beton
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Ultrastabile Leichtbau-
Konstruktionsstoffe
Künstliche Photosynthese
Nanosensor Netzwerke
Verbreitung am Markt Markteintritt Prototyp Konzept
0-5 Jahre 5-10 Jahre 10-15 Jahre
Bautechnik
Kleidung mit integrierter Unterhaltungselektronik
Überwachung von Körperfunktionen
Schmutzabweisende Textilien
Superisolierende Thermobekleidung
Aktive Bewegungsunterstützung Textil
Antibakterielle Wäsche UV geschützte Fasern Ultraleichte Schutzwesten
Nano-Schichtsilikate Kohlenstoffnanoröhrchen
selbstheilende Werkstoffe
Carbon Black
Nanopigmente Organische Halbleiter Schaltbarer Klebstoff
Nano-Kieselsäure
Nanoreaktoren
Easy-to-Clean-Schichten Polymere Nanokomposite
Künstliche Spinnenseide
Reifenfüllstoffe
Antibeschlagschichten
Kratzfeste Lacke
Festplatten mit GMR-Lesekopf
Siliziumelektronik

7. Nano in der Natur
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Auf der Suche nach innovativen Ideen für neue Produkte werden Forscher und Entwickler
häufig auch in der Natur fündig (Stichwort „Bionik“). Auch für die Nanotechnologie gibt es
Anknüpfungspunkte in der Natur. Die zwei wohl bekanntesten Phänomene in diesem
Zusammenhang sind die Lotuspflanze und der Gecko.
Folie 28:
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 zudem eine starke
Verringerung der Kontaktfläche zu einzelnen Schmutzpartikeln, so dass diese nicht haften
bleiben und von den Wassertropfen mitgerissen werden. Die künstliche Herstellung solcher
Nanostrukturen ist allerdings bisher technisch noch nicht ausgereift. Heute im Einsatz sind
dünne, transparente Oberflächenbeschichtungen, die wasser- und/oder fettabweisend sind.
Diese Schichten lassen sich sehr einfach mit einem Sprayverfahren auftragen.
Folie 29:
Video-Illustration des Lotus-Effekts der Firma STO, welche die Wandfarbe Lotusan herstellt.
Video ohne Kommentar mit Texteinblendungen:
www.youtube.com/watch?v=pzGunZ1-POw
Weitere Informationen finden Sie im Modul „Lotus-Effekt“ in der NanoTeachBox (Download:
www.swissnanocube.ch/nanoteachbox/module)
oder unter
www.swissnanocube.ch/fileadmin/user_upload/documents/textfiles/themen/Grundlagen/NanoTr
ust_Dossier_Selbstreinigung.pdf
Folie 30:
Geckos klettern mühelos an spiegelblanken Wänden hoch und hängen kopfüber von der
Decke. Sie haben dazu eine ganz spezielle Art der Haftung entwickelt: Unzählige allerfeinste
Härchen zieren die Unterseite ihrer Zehen. Jedes dieser Härchen hat einen Durchmesser von
ca. 220 nm. Damit kann sich der Fuss sogar der allerfeinsten Rauheit des Untergrunds
anpassen. Neben diesem Anschmiegen gibt es noch einen anderen Grund, warum viele kleine
Härchen besser sind als eine glatte Hautoberfläche: Nicht die Grösse der Kontaktfläche ist für
die Haftkraft entscheidend, sondern der Umfang der Kontaktfläche. Indem eine grosse
Kontaktfläche in viele kleine Härchen-Kontaktflächen aufgeteilt wird, vergrössert sich der
Gesamtumfang und die Haftung wird besser!
Für die Haftung selbst sind die Van-der-Waals-Kräfte verantwortlich, die auf
Ladungsverschiebungen in den Oberflächenmolekülen beruhen. Damit kann sich der Gecko auf
allen Untergründen festhalten – nur Teflon hat zu schwache Oberflächenladungen und damit zu
geringe Van-der-Waals-Kräfte.
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Folie 31:
SNC Grundlagen-Modul
Das Aufbauen des Kontakts zwischen Zehe und Untergrund stellt nur die Hälfte des Gecko-
Geheimnisses dar. Der Kontakt muss einerseits stark genug sein, um das Tier zu halten,
andererseits muss er aber wieder gelöst werden können, damit der Gecko sich fortbewegen
kann. Er löst dieses Problem, indem er seine Zehen „aufrollt“ – vergleichbar mit dem Abziehen
eines Klebebandes. Folie 4 stellt dies dar mit Hilfe einer Abbildung, die bei www.max-wissen.de
heruntergeladen werden kann, dar.
Auf der DVD „BIONIK – das Genie der Natur“ des ORF
(http://shop.orf.at/orf/shop.tmpl?art=3686&lang=DE) findet sich ein ca. 5-minütiger Beitrag, der
das Phänomen der Gecko-Haftung sehr schön illustriert. Zudem wird auch gezeigt, wie an der
technischen Umsetzung der Gecko-Zehen geforscht wird.
Weitere Informationen finden Sie im TECHMAX-Heft Nr. 8 aus dem Jahr 2007 (Download:
www.max-wissen.de/public/downloads/maxheft5305.pdf)
Zudem gibt es eine von der Max-Planck-Gesellschaft eine Unterrichtseinheit zum Thema
„Haften ohne Kleber – den Tricks des Geckos auf der Spur“. Auf der Seite www.maxwissen.de/public/downloads/maxheft5305.pdf
finden sich Arbeitsblätter, Begleitinformationen,
Folien und auch ein didaktisch-methodischer Kommentar.
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