Swiss Nano-Cube

Lerchenfeldstrasse 5, 9014 St.Gallen

Tel. +41 (0) 71 274 72 66, info@swissnanocube.ch

www.swissnanocube.ch

Bildungsplattform zur Mikro- und Nanotechnologie für

Berufsfach- und Mittelschulen sowie Höhere

Fachschulen

Grundlagen-Modul

Gesamtversion

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1. Wie klein ist „nano“?

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Die Definition von Nano

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Nano wurde aus dem Griechischen abgeleitet (nanos = Zwerg)

1 Nanometer = 1/1‘000‘000 mm ≈ 3 Gold-Atome

100 m = 1.0 = 1 m (1 Meter)

10-3 m = 0.001 m = 1 mm (1Millimeter)

10-6 m = 0.000 001 m = 1 μm (1 Mikrometer)

10-9 m = 0.000 000 001 m = 1 nm (1 Nanometer)

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Die Nano-Dimension – Grössenordnung

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Quelle: Fonds der chemischen Industrie FCI - Foliensatz

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Die Nano-Dimension – Grössenordnung

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Quelle: http://www.powersof10.com/

Kurzfilm-Klassiker von Charles und Ray Eames aus dem Jahr 1977

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Die Nano-Dimension – Grössenordnung

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Webseite „Scale of the Universe“

Quelle: http://primaxstudio.com/stuff/scale_of_universe/

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Quelle: Universität Mainz Quelle: www.surf.nuqe.nagoya-u.ac.jp

Verhältnis Erde/Fussball = Verhältnis Fussball/Fulleren

Quelle: Dr. Martin Schubert Kompetenzzentrum cc-NanoChem e. V.

Die Nano-Dimension – Grössenverhältnis

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2. Definitionen

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Was ist Nanotechnologie?

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Die Nanotechnologie …

… beinhaltet Forschung und technologische Entwicklung im Bereich von

1 nm bis 100 nm

… erzeugt und bedient sich Strukturen, die aufgrund ihrer Grösse völlig

neue Eigenschaften aufweisen

… beruht auf der Fähigkeit, im atomaren Massstab zu kontrollieren und zu

manipulieren

… verbindet die klassischen Gebiete Chemie, Physik und Biologie

Quelle: www.nano.gov/html/facts/whatIsNano.html

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Disziplinen verschmelzen

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PhysikPhysik ChemieChemie

BiologieBiologie

Nano-technologie

Nano-technologie

Physikalische Chemie

Materialwissenschaften

Mikroelektronik/Mechatronik

Biochemie

Pharma

Diagnostik

Biophysik

Medizintechnik

Medizinphysik

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Was ist ein Nanomaterial?

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Nanostrukturiere Materialien(Innere Struktur oder Oberflächenstruktur im Nanometermassstab)

Nanoobjekte

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Beispiele

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Nanopartikel(Zinkoxid)

Mehrwandiges Kohlenstoff-Nanoröhrchen

Photonischer Kristall

Aerogel(hochporöse Festkörper)

Schicht Grenzfläche Chip (AMD K8)Strukturgrösse ≤ 130 nm

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3. Herstellung

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Woher kommen Nanopartikel?

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Nanopartikel aus natürlichen Quellen

Vulkanausbrüche

Waldbrände

Sandstürme

Nanopartikel durch den Menschen verursacht

Zigarettenrauch

Verkehr (Dieselfahrzeuge)

Industrie

Industrielle Erzeugung von Nanostrukturen

Top-down

Bottom-up

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Erzeugung von Nanostrukturen

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vom Baum

zum Brett

Top-down: „von oben nach unten“

Erzeugung nanoskaliger Strukturen durch Verkleinerung bzw. durch ultrapräzise Materialbearbeitung

Verfahren

Zerkleinerung von Pulvern mit Kugelmühlen

Ätzverfahren (Photolithographie)

Strukturierung mit Elektronen- oder Ionenstrahlen

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Erzeugung von Nanostrukturen

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vom Keimling

zum Baum

Bottom-up: „von unten nach oben“

Aufbau von komplexen Strukturen aus einzelnen Atomen oder Molekülen häufig in Selbstorganisation (self-assembly)

Verfahren:

Sol-Gel-Prozess

Gasphasensynthese

Chemische Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD)

Physikalische Gasphasenabscheidung (physical vapor deposition, PVD)

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4. Warum „nano“?

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Neue Eigenschaften

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Nanomaterialien zeigen „neue“ Eigenschaften.

Beispiel Aluminium:

Alu-Folie ist chemisch sehr stabil und darum wenig reaktionsfreudig.

Alu-Nanopartikel verbrennen dagegen explosionsartig und werden als Raketentreibstoff eingesetzt.

Quelle: www.spiegel.de/wissenschaft/technik/0,1518,656774,00.html

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Neue Eigenschaften

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Goldrubinglas im Mittelalter

Früher wurde zur Herstellung von Goldrubinglas dem Glasausgangsgemisch fein verteiltes Goldpulver beigefügt.

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Nano-Effekte

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Neue Eigenschaften als Effekte der Nanotechnologie

Dimensionsbedingte Eigenschaften (z.B. Nanocarrier in der Medizin)

Superhydrophobie (z.B. Lotuseffekt)

Hohe spezifische Oberfläche: Erhöhte Reaktivität (z.B. Pyrophores Eisen)

Verbesserte mechanische Stabilität (z.B. CNT)

Veränderte elektrische & thermische Eigenschaften (z.B. CNT)

Veränderte optische Eigenschaften (z.B. Nanogold, Flüssigkristalle)

Superparamagnetismus (z.B. Ferrofluide)

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5. „Nano“ im Alltag

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Nanotechnologie in Konsumprodukten

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TiO2 als UV-Schutz: Nanopartikel in Sonnencrèmes und Kosmetika

SiO2 als Additiv für kratzfeste Lacke und Farben

Nano-Silber (antimikrobielle Wirkung & Geruchsunterdrückung

Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNTs) eingelagert im Rahmenmaterial zur Erhöhung der Stabilität

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Nanotechnologie in Konsumprodukten

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Quelle: www.nanotechproject.org/inventories/consumer/analysis_draft/

1317 Produkte(März 2011)

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Nanotechnologie in Konsumprodukten

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Quelle: www.nanotechproject.org/inventories/consumer/analysis_draft/

565 Produkte(März 2011)

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Nanorama-Loft Quiz

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www.swissnanocube.ch/nanorama

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6. Anwendungsgebiete

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Wichtige Anwendungen

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Konsumprodukte

Bauindustrie

AutomobilEnergie

IT, Elektr.

Optik UmweltChemie Medizin

AnwendungsgebieteAnwendungsgebiete

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7. Nano in der Natur

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Nie mehr schmutzig

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„Selbstreinigung“ von Lotusblättern beruht auf der Mikro- und Nanostrukturierung der Blattoberfläche.

Wassertropfen perlen ab und reissen dabei Schmutzpartikel mit.

Mikrostrukturen mit Nano-Wachs-Kristallen auf der Blattoberfläche (Rasterelektronenmikroskop)

oder warum das Lotusblatt immer sauber bleibt..

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Nie mehr schmutzig

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Quelle: www.youtube.com/watch?v=pzGunZ1-POw

oder warum das Lotusblatt immer sauber bleibt..

Video-Illustration des Lotuseffekts Anwendung des Effekts z.B. in Fassadenfarben (Lotusan)

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Haften ohne Leim

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oder warum der Gecko nicht von der Decke fällt.

Quelle: www.uni-saarland.de; Abbildung: S. Gorb, MPI für Metallforschung, Stuttgart

Haftstrukturen bestehen aus feinen Härchen (Ø ca. 200 nm) Härchen garantieren optimales Anschmiegen an jede Unterlage Fürs Haften verantwortlich sind die „Van-der-Waals-Kräfte“, die

auf Ladungsverschiebungen innerhalb der Atome beruhen.

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Haften ohne Leim

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Quelle: www.max-wissen.de/Fachwissen/show/0/Didaktik/Bionik.html

Geckos finden auf fast jedem Untergrund Halt. Durch das „Abrollen“ der Zehen können sie den Kontakt wieder

lösen.

oder warum der Gecko nicht von der Decke fällt.