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Technische Anwendungen
 

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Rotweintropfen auf Textilmaterial mit Nano-Beschichtung
Bildbreite ca. 5cm; Foto: Thomas Seilnacht
   

Das Prinzip des Lotoseffekts dient als Vorbild für Antihaftbeschichtungen im Haushalt, im Bauwesen oder bei Kraftfahrzeugen. Pfannen oder Backbleche müssen nicht mehr aus Teflon hergestellt und können viel leichter geputzt werden. Winzige, noppenartige Strukturen auf der Oberfläche verhindern das Ankleben von Wasser und Schmutz. Das Putzen von Fenstern und Böden könnte in Zukunft überflüssig werden. Antihaftbeschichtungen werden auch bei speziellen Dachziegeln eingesetzt: Der Regen und der Schmutz wäscht sich einfach von selbst ab, so dass die Dachziegel jederzeit glänzen. Das Phänomen kann man in manchen Autowaschanlagen beobachten: Vor dem Trocknungsprozess wird eine Flüssigkeit aufgespritzt, die Nanopartikel enthält. Dabei perlt das Wasser auf den Scheiben schlagartig ab und das Auto lässt sich danach leicht durch ein Gebläse trocknen. Mit Hilfe der Nanotechnologie lassen sich auch Textilien herstellen, die extrem wasserabweisend sind. Bei optischen Spiegeln kann man auch Schichten herstellen, die fettabweisend sind, so dass Fingerabdrücke erst gar nicht entstehen. 
   
 

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Baumwollfasern mit Nanopartikeln beschichtet
REM koloriert, Bildbreite ca. 20µm; Foto: eyeofscience.de
 

Für die Mikroelektronik bedeutet die Nanotechnologie eine Revolution. Speicherchips aus ferromagnetischen Speicherzellen (MRAMs) ermöglichen das Unterbringen von Schaltungen auf wesentlich kleinerem Raum. Die Miniaturisierung der elektronischen Bauelemente ermöglicht den Bau wesentlich leistungsfähigerer Computer.  
  
Die Revolution findet auch in der Chemie statt: Quarz ist ein Mineral, das aus Siliciumdioxid aufgebaut ist. Durch den Einsatz von nanoskaligem Siliciumdioxid in Kunstharzdispersionen erhält man ein Material, mit dem Oberflächen extrem kratzfest beschichtet werden können. Nanoporöse Katalysatoren sind viel leistungsfähiger als herkömmliche. [Lit 1] Die Oberfläche von Nanopartikeln ist viel größer, daher sind Stoffe aus Nanopartikeln viel reaktionsfähiger. Nanoskaliges Aluminiumpulver wird beispielsweise als Raketentreibstoff eingesetzt. [Lit  24]   
   
Die Zeolithe sind aus der Mineralogie bekannt. Die Mineralien aus der Stilbit-Gruppe gehören beispielsweise dazu. Sie bestehen aus Alumosilicaten, die aus SiO4 und AlO4-Tetraedern aufgebaut sind. Durch die regelmäßig aufgebauten Hohlräume sind die Zeolithe sehr aufnahmefähig für andere Stoffe. Moderne Katalysatoren bestehen beispielsweise aus Tantal, auf dem ein Zeolith aufgetragen ist oder aus einem Zeolith und einem Binder, der eine Tantal enthaltene saure Verbindung enthält.  [Lit 20 
  



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Mit Zeolith beschichtetes Tantal eignet sich als Katalysator
REM koloriert, Bildbreite ca. 500µm; Foto: eyeofscience.de

  
Das Weißpigment Titandioxid enthält Partikel in der Größenordnung von 300-500nm. Dünne Schichten aus nanoskaligem Titandioxid in der Größenordnung von 10-15nm erscheinen nicht mehr weiß, sondern transparent. Sie remittieren kein sichtbares Licht mehr. Trägt man das nanoskalige Titandioxid als Trägermaterial auf eine Glasplatte auf, lassen sich daraus TCO-Platten für Farbstoffsolarzellen herstellen. [Lit 9, 10]  Durch Variation der Dicke und in Kombination mit Glimmerschichten und anderen Pigmenten kann man Farblacke mit vielen verschiedenen Farbnuancen kreieren. Auch Spezialeffekte wie Metallglanz oder eine Helligkeits- oder Farbänderung je nach Betrachtungswinkel sind möglich. [Lit 22]    
   


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Nanoskalige Titandioxid-Plättchen
REM koloriert, Bildbreite ca. 5µm; Foto: eyeofscience.de   
  

In Sonnenschutzmitteln wirken Titandioxid, Zinkoxid und auch Magnesiumoxid als Barriere für bestimmte Wellenlängenbereiche der UV-Strahlung. Nanoskaliges Titandioxid lässt sich als anorganisches, mineralisches Sonnenschutzmittel einsetzen. Dieser Typ schirmt die UVB-Strahlung (Wellenlänge 280-320 Nanometer) und die energiereiche UVC-Strahlung (Wellenlänge 200-280 Nanometer) relativ gut ab. Bei der UVA-Strahlung (Wellenlänge 320-400 Nanometer) fällt die Leistung ab, so dass manche Hersteller ein Kombinationspräparat anbieten.  [Lit 8]  Organische Sonnenschutzmittel enthalten hormonaktive oder allergieauslösende Stoffe, sie dringen gut in die Haut ein. [Lit 7]  Nanoskaliges Titandioxid kann aber theoretisch auch in die Haut eindringen. Ob dabei ein Risiko besteht, ist noch nicht abschließend geklärt. [Lit 21] 
   
In der Medizin werden Implantate im Miniformat entwickelt. Biochips sind von außen steuerbar und können an den Körper Wirkstoffe verabreichen oder sie dienen als Messinstrumente. Nanomaschinen wie Ventile oder Pumpen können im Blutkreislauf oder in das Herz eingebaut werden. Nanobeschichtete Oberflächen an künstlichen Gelenken führen zu einer besseren Verträglichkeit, sie verhindern Abstoßungsreaktionen des Körpers und verlängern die Lebensdauer der Gelenkprothese. Ferrofluide bestehen aus nanoskaligem Magnetit  Fe3O4, sie werden als Kontrastmittel bei der Computertomografie eingesetzt. In Mikro- oder Nanokapseln können pharmazeutische Wirkstoffe extrem klein portioniert werden, so dass die Kapseln über einen langen Zeitraum ihre Wirkstoffe gezielt abgeben. 
  



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Mikrokapseln
REM koloriert, Bildbreite ca. 120µm; Foto: eyeofscience.de
   

Nanobeschichtungen auf der Oberfläche verringern Abstoßungsreaktionen bei Gelenkprothesen aus Titan. Die bakterientötende Wirkung von Silber ist schon seit dem Altertum bekannt. Silber-Ionen besitzen ähnliche Eigenschaften wie Antibiotika, sie zerstören auch Enzyme und beinträchtigen die Zellteilung. Beschichtungen mit Nanosilber werden auf chirurgischen Instrumenten, aber auch auf Textilien und Matratzen oder in kosmetischen Produkten angewandt. 
  


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Nanosilber bildet Kristalle auf einem Polymer
REM koloriert, Bildbreite ca. 2µm; Foto: eyeofscience.de  
  

In der Automobilindustrie gibt es ebenfalls zahlreiche Anwendungen. Nano-Beschichtungen auf Innenspiegeln ermöglichen eine automatische Abblendung bei hohem Lichteinfall. Rußpartikel im Autoreifen nehmen dem Kautschuk die Klebrigkeit und machen den Reifen belastbarer. [Lit 1]  Die Reinigung von Abgasen im Autokatalysator kann durch nanoporöse Filter optimiert werden.Aber auch beim Wasserstoffauto kommt die Nanotechnologie zum Einsatz: Verbindet man anorganische Substanzen über organische Streben erhält man poröse, kristalline Materialien. Die metallorganischen Gerüststrukturen, die MOFs, besitzen Oberflächen mit bis zu 5500 Quadratmeter pro Gramm. Aufgrund dieser Eigenschaft können sie erheblich mehr Wasserstoff speichern, wie Platin oder die Metall-Legierung Lithiumhydrid. [Lit 14 und 15]  In Brennstoffzellen optimieren Nanomaterialien die Funktion der Elektroden und der Membran. 
 


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Metallorganische Gerüststrukturen besitzen eine große Oberfläche.
REM koloriert, Bildbreite ca. 10µm; Foto: eyeofscience.de
 

Durch eine gezielte und gerüstartige Anordnung der Atome erreicht man eine höhere Stabilität von Werk- und Baustoffen. Die Kieselalgen in der Natur machen es beispielsweise vor. Ein anderes faszinierendes Beispiel stellt der Glasschwamm Euplectella dar. Er lebt in bis zu 5000 Metern Meerestiefe und besitzt ein ganz fein strukturiertes Skelett aus Glas. Die haardünnen Glasfäden bestehen aus geschichteten Silicat-Nanopartikeln, diese sind mit Hilfe eines organischen Klebematerials miteinander vernetzt.  [Lit 6, S. 281]   
   
Der künstlich hergestellte Kohlenstoff-Nanoschaum besitzt Poren, die nur wenige Nanometer groß sind. Ein Liter dieses Materials wiegt nur zwei Gramm. Als Nanofasern bezeichnet man Fasern, deren Durchmesser geringer als 500 Nanometer sind. Sie werden vor allem in Luftfiltern zum Filtern von Feinstaub eingesetzt.  
  



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Der Durchmesser von Nanofasern beträgt weniger als 500 Nanometer.
REM koloriert, Bildbreite ca. 5µm; Foto: eyeofscience.de
  

Hohlfasern besitzen einen Hohlraum. Sie eignen sich zum Bau von extrem saugfähigem Material oder zur Herstellung von isolierenden Dämmstoffen. Aus Nano-Hohlfasern lässt sich ein Dialysegerät herstellen, das als künstliche Niere zum Filtern von Blut bei Dialysepatienten eingesetzt wird. Durch die haarfeinen Röhrchen fließt das Blut, Stoffwechselgifte und überschüssiges Wasser werden über feinste Poren gefiltert und abtransportiert. Die Blutzellen und die lebensnotwendigen Eiweiße verbleiben im Blut. [Lit 19] 

  
 
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Hohlfasern bestehen aus haarfeinen Röhrchen mit feinsten Poren.
REM koloriert, Bildbreite ca. 40µm; Foto: eyeofscience.de
  

Man stellt sich vor, dass bei den Wänden von Kohlenstoff-Nanoröhrchen die Kohlenstoff-Atome wie bei den Fullerenen wabenartig in einem Sechseck angeordnet sind. Jedes Kohlenstoff-Atom ist mit drei weiteren Kohlenstoff-Atomen verbunden. Die Gebilde haben einen Durchmesser von 1 bis 50nm. Ihre Zugfestigkeit übertrifft die von Stahl, dafür beträgt ihre Dichte nur etwa 1,3 Gramm pro Kubikzentimeter. [Lit 3, Stichwort Kohlenstoffnanoröhrchen]  Stahl hat im Vergleich dazu eine Dichte von 7,8 Gramm pro Kubikzentimeter. Es lassen sich je nach Struktur Typen herstellen, die elektrisch leitfähig sind oder die Eigenschaften von Halbleitern besitzen. Kohlenstoff-Nanoröhrchen sind um ein Vielfaches belastbarer als Kupferdrähte, ihre Wärmeleitfähigkeit übertrifft sogar die des Diamanten, dem besten in der Natur vorkommenden Wärmeleiter. 
   


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Kohlenstoff-Nanoröhrchen: Darstellung durch ein Elektronenmikroskop
REM, Bildbreite ca. 10nm; Foto: eyeofscience.de
   
 
Graphen besteht aus einer einlagigen oder mehrlagigen Schicht wabenartig verknüpfter Kohlenstoff-Atome. Das Material ist extrem stabil und ermöglicht den Bau von viel leistungsfähigeren Computerchips mit einer viel höheren Taktrate im Vergleich zu den Chips, die auf Siliciumtechnologie basieren. [Lit 28 und 29] 
 
Copyrights: T. Seilnacht (Text) 
eye of science (Bilder)
 www.seilnacht.com