Projektkurs Naturwissenschaften 2012/13

Projektkurs Naturwissenschaften am AVG 2012/13NanotechnologieAVG Wesel1GliederungAllgemeinesErforschung anhand von MikroskopenNanopartikelLotuseffektMikroelektrische SchaltungenDie Besuche bei der BYKHerstellen eines elektr. Leitfhigen sowie eines kratzfesten LackesUntersuchung der LackprobenQuellen

AVG Wesel2AllgemeinesGriechisch: ,,nanos ZwergForschungsgebiet der kleinsten DimensionDefinition: ,,Ein Teilchen mit einer oder mehreren Dimensionen in der Grenordnung von 100 nm oder wenigerSpezielle Mikroskope dienen zur ErforschungAnwendung: Chemie, Halbleiter, Maschinenbau, Lebensmitteltechnologie

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ErforschungDie MikroskopeErster Uni-BesuchAVG Wesel4Erforschung Die Mikroskope ILichtmikroskop:Vergrerung von Objekten durch Einsatz von Linsensystemen Verschiedene Methoden:1) Durchstrahlmikroskopie: Lichtquelle durchdringt das Prparat von unten, Betrachtung von dnnen Objekten bzw. dnn geschnittenen Objekten2) Aufstrahlmikroskopie: Lichtquelle von obenAVG Wesel5

Beispiel: Handydisplay AVG Wesel

6Erforschung Mikroskope IIElektronenmikroskop:Vergolden des Prparats, Erzeugung von elektrischer LeitfhigkeitAbschieen von Elektronen durch eine Elektronenkanonedurch Fokussierung des Elektronenstrahls wird die Oberflche ab gescanntAbprallwinkel der Elektronen definieren die Oberflchenstruktur des Prparats

AVG Wesel7AVG Wesel

8Beispiel: Haifischschuppe

AVG Wesel9Erforschung Mikroskope IIIRasterkraftmikroskop:Sonde liegt auf der Probe, welche an einem Federbalken befestigt istAbtasten die Oberflche der Probe durch die SondeLaser misst die Auslenkung des FederbalkensRaster wird erstellt mittels Sonde:Spitze ist so gro wie ein Atom (extrem genaue Angabe der Oberflche)

AVG Wesel10Rasterkraftmikroskop

AVG Wesel11Rasterkraftmikroskop

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NanopartikelAVG Wesel13

Ein Nanometer (nm) ist der milliardste Teil eines Meters.1 nm = 0,000 000 001 m

Untersuchung, Herstellung und Anwendung von Strukturen unter 100 nm14

Was ist Nanotechnik?Was ist Nanotechnik?Nanopartikel - Definitionwerden auch Ultrafeinteilchen genanntZusammenschlsse von Nanopartikeln nennt man Agglomerateals kleinste Einheit definierte Teilchen, welche spezielle Eigenschaften aufweisen (z.B. Transport)sind maximal 100 nm groBeeinflussung der Materialeigenschaften

AVG Wesel15Nanopartikel - HerstellungsverfahrenTop-down (eng.: oben nach unten)Modifizierung grerer Objekte auf nanoskalige EbeneIn der Industrie:Kugelmhlen dienen zur Zerkleinerungzerkleinertes Prparat (50 Mikrometer) kommt mit gehrteten Stahlkugeln in die KugelmhlenErgebnis: 325 nm groe Partikel

AVG Wesel16AVG Wesel

17Nanopartikel - HerstellungsverfahrenMechanischer Stempel:Gebndelter Strahl von Elektronen bzw. Ionen brennen einen Krater in das WerkstckDurchmesser der Krater: 10 nmFormen eines NanomustersSpeicherung von Informationen mit hoher Dichte (z.B. DVDs)AVG Wesel18Nanopartikel - HerstellungsverfahrenBottom-up (unten nach oben)umgekehrte Produktionsrichtung als Top-down VerfahrenZusammenbauen ausgewhlter Molekle und Atome zur Produktion von Objekten mit speziellen EigenschaftenVerwendung von Katalysatoren und thermischer Energie zur Anordnung der MolekleAVG Wesel19

AVG Wesel20Nanopartikel HerstellungsverfahrenManuelle Verschiebung:Rasterkraftmikroskop ermittelt die OberflchenstrukturGehrtete Spitze verndert die OberflcheDurch Van- der-Waals-Krfte zieht die Spitze einzelne Atome anNeupositionierung durch elektrische ImpulseAVG Wesel21Nanopartikel HerstellungsverfahrenAVG Wesel

22Beispiel CNTs: KohlenstoffnanorhrchenAVG Wesel

23Was sind CNTs?Kette von Kohlenwasserstoffenwabenartig angeordnet (Graphen)bilden ein Netzhohe Stabilitt durch diese Anordnung mehrere Monoschichten Graphen = Graphiterweiterte Form des Graphen durch spezielle tunnelfrmige AnordnungAVG Wesel24

AVG Wesel25Nanopartikel - AnwendungOberflchenbeschichtung: Lacke, Optik, Glser, selbstreinigende EigenschaftenElektronische Leistungsverbesserung: hhere Leitfhigkeit, grere Speicher MedienMedizin: Krebsbekmpfung, Tumorbehandlung, Behandlung von InnenTextilien AVG Wesel26Nanopartikel - Risikenviel komplexer als gedacht; mgliche unerwnschte Nebeneffekteerreichen jede Krperzelle (z.B. Autogase enthalten Nanopartikel, gelangen in die Lunge)unbewusste Reaktion auf die Umweltfalsche Anwendung in der Medizin knnen zu Langzeitfolgen fhrenAVG Wesel27

LotuseffektZweiter Uni-BesuchAVG Wesel28Funktionsprinzipwiderlegt die Annahme ,,je glatter, desto saubererextrem raue Oberflche im Nanometerbereich bilden eine SchutzschichtOberflchenspannung des Wassers verhilft zur Erhaltung der Tropfenanschlieendes Abperlen der Tropfenin der Natur: hydrophobe Wachsschicht, verstrkt den Lotuseffekt der Pflanzen (20-50 Mikrometer groe Noppen)AVG Wesel29Schematische Darstellung

AVG Wesel30AnwendungsbereicheWandfarben z.B. selbstreinigende FassadenImprgnier-Spray fr Schuhe oder LedersofaLacke z.B. Autokarosserien Glser, Spiegel etc.SchifffahrtsindustrieNatur, z.B. die Lotusblume (Namensgebend) AVG Wesel31Mikroelektrische Schaltungen

AVG Wesel32Mikroelektrische SchaltungenDefinition: Die Mikroelektrik ist ein Teil der Elektronik, genauer der Halbleiterelektronik, die sich auf den Entwurf von miniaturisierten Schaltungen spezialisiert hat.Abkrzung: IC = integrierte Schaltungen AVG Wesel33Mikroelektrische SchaltungenTransistorUnerlsslicher Bauteil fr Mikrochipsdient zur DatenbertragungMittels elektronischer Signale Miniaturisierung der Datenmengewesentlich praktischer als die zuvor verwendeten ElektronenrhrchenStromrichtung gibt die Datenflussrichtung vorGre: 30 nm (ungefhr)AVG Wesel34

AVG Wesel35Zukunft von Graphen in Mikrochipskleine Struktur mit hoher Speicherkapazitthohe elektrische Leitfhigkeit Mglichkeit Silicium als Transistormaterial zu ersetzenperfekte Eignung fr Mikrochips Zu aufwndig und zu teuer in der HerstellungAVG Wesel36Herstellen eines Lackes mit erhhter KratzfestigkeitIn Zusammenarbeit mit der AVG Wesel

37AufgabenstellungFiktiver Kundenauftrag:Kunde mchte einen Lack mit erhhter Kratzfestigkeitneuer UV-hrtender Klarlack fr z.B. HandydisplayNanopartikel in Form von Additiven sollen helfen

AVG Wesel38Teil 1: Anfertigung des BasislackesPositionRohstoffe[g]1Desmolux VPLS 2265Bindemittel, aliphatisches Urethanacrylat1822Desmolux U100Bindemittel, aliphatisches Urethanacrylat13632-(2-ethoxyethoxy) EthylacrylatReaktivverdnner19,24Dipentaerythritol-pentaacrylatReaktivverdnner49,25Irgacure 184Fotoinitiator13,66Nanobyk 3605 / 3602AdditivJeweils 2, 4, 6%7LP-X-21192AdditivJeweils 2, 4, 6 %AVG Wesel39Teil 2: Einarbeiten der Nanopartikel in den Lack Aufteilung in 10 Proben 30 gKontrollprobeJe 3 Proben mit:Nanobyk 3602 (30 % Aluminiumoxid - Nanopartikel (40nm))Nanobyk 3605 (50 % Silica - Nanopartikel (20nm))LP-X-21192 (20 % Bhmit Nanopartikel (10nm)) in unterschiedlichen Konzentrationen (2-; 4-, und 6%)AVG Wesel40Teil 3: Applikation der BeschichtungAuftragen der Proben auf einer schwarzen PMMA-PlatteVermeidung von Staub auf den ProbenDirekte Aufbewahrung in dem UV-KanalHrtung des LackesAnschlieende Verkratzung mit Crockmeter

AVG Wesel41Teil 4: Die messbaren Ergebnisse

AVG Wesel42FazitBei allen Additiven gilt:bei einer Konzentration von 6 % wurden die besten Ergebnisse gemessenDie Kratzfestigkeit des UV - Lackes wird durch das Additiv Nanobyk 3605 mit einer Konzentration von 6% am meisten verbessertkaum oder nur vereinzelte sehr kleine KratzerVerkratzung ist kaum sichtbar, auch unter dem Mikroskop

AVG Wesel43Bilder RasterelektronenmikroskopKontrollprobe ohne Kratzer

44Bilder RasterelektronenmikroskopNanobyk 3602 - bersicht

Starke Beschdigung45Bilder RasterelektronenmikroskopNanobyk 3605 - bersicht

leichte Beschdigung46Bilder RasterelektronenmikroskopLP-X-21192: bersicht

Leichte Beschdigung47Bilder RasterelektronenmikroskopLP-X-21192 Nahaufnahme

Einzelner Kratzer 48Zusammenfassung 49Herstellen eines Lackes mit elektrischer LeitfhigkeitDie Zusammenarbeit mit der AVG Wesel

50AufgabenstellungFiktiver Kundenauftrag:Kunde mchte elektrisch leitfhige BeschichtungBeschichtung soll Computerkomponenten vor elektr. Entladung schtzenmuss Flexibilitt aufweisen und gewissen Temperaturen standhaltenAVG Wesel51Teil 1: Anfertigung des BasislackesPositionRohstoffe[g]1Bayhydrol E 155Bindemittel, gesttigter Polyester1502Cymel 327Bindemittel, Melaminharz23,43ButylglykolCo-Lsemittel124WasserLsemittel106,8510%iges DEMA in HOAmin66BYK-025Entschumer0,97BYK-307Verlaufsadditiv0,9AVG Wesel52Teil 2: Einarbeiten der CNTs in den LackAufteilung in 9 Proben 30 gKontrollprobeProbe mit CNTs (unterschiedl. Konzentration 0,5-2%)Probe mit Leitru (gleiche Konzentrationen wie CNTs)jeweils 4 Proben pro Additiv

AVG WeselCNTLeitruAussehen

Rhrenfrmig, wabenartig

kugelfrmig

Gre1-50 nm

10-300 nm

ProduktionUnvollstndige Verbrennung von KohlenwasserstoffenLaser bzw. Gasentladung53Teil 3: Applikation der BeschichtungAuftragen der Proben auf verschiedene SubstrateAblften lassenEinbrennen des Lackes bei 130CAuswhlen eines geeigneten SubstratsHitzebestndige PET-FolieAVG Wesel54

Teil 4: elektrische Leitfhigkeit:Ergebnisse Mglichst kleine Vernderung der ProdukteCNTs weisen bei geringer Konzentration bessere Produkte aufLeitru ist nur in groen Mengen effektivgeringerer Kostenaufwand liegt bei den CNTsHoher Widerstand

Niedriger Widerstand

AVG Wesel55Untersuchung unter dem Elektronenmikroskop (gezoomt) I

AVG Wesel56Untersuchung unter dem Elektronenmikroskop II

AVG Wesel57Untersuchung unter dem Rasterkraftmikroskop

AVG Wesel58FazitCNTs sind kristallfrmigBilden ein relativ regelmige BeschichtungEinige nicht beschichtete FlchenLichtmikroskop reicht nicht ausVerunreinigungen treten aufAVG Wesel

59Fragen?

AVG Wesel60Quellen Ihttp://flexikon.doccheck.com/de/Lichtmikroskophttp://www.jameda.de/gesundheits-lexikon/bilder/big/506737.jpghttp://www.uni-regensburg.de/Fakultaeten/Medizin/Pathologie/EMLabor/sites/funktion.htmhttp://www.nano-world.org/WS03_04/0100Abbilden/spm/content/0120history/0550Elektronenmikroskop2/bild1http://www.weltderphysik.de/gebiete/stoffe/untersuchung-und-analyse/rastesondenmethoden/rasterkraftmikroskopie/AVG Wesel61Quellen IIhttp://thumbs.dreamstime.com/z/mann-3d-mit-mikroskop-16092119.jpghttp://www.presse-archiv.uni-wuppertal.de/archiv/output/okt98/photolacke.htmlhttp://www.adpic.de/data/picture/detail/rote_Blutkoerperchen_146858.jpghttp://world-of-nano.de/grundlagen/der-top-down-ansatz--3-0013.htmlhttp://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/76/Kohlenstoffnanoroehre_Animation.gifhttp://www.bmbf.de/pub/nanopartikel_kleine_dinge_grosse_wirkung.pdfhttp://www.deutsches-museum.de/fileadmin/Content/010_DM/020_Ausstellungen/110_Neue_Technologien/020_Nano_Biotechnologie/030_Highlightexponate/bottom_up.jpgAVG Wesel62Quellen IIIhttp://f2.hs-hannover.de/typo3temp/pics/6586641761.pnghttp://1.bp.blogspot.com/-KiVkYI4YdJE/TZGx5eax5NI/AAAAAAAAAAM/xCLUn6lcf3s/s1600/lotuseffekt.jpghttp://thumbs.dreamstime.com/thumblarge_31/1132690078x5mKID.jpghttp://www.coatings-science.com/images/logo/BYK_5.jpghttp://www.uni-erlangen.de/infocenter/meldungen/images/2009-05/SPPs_Graphen.jpgOrdner der Byk-Chemie bzw. der Uni Duisburg-EssenBereits erarbeitete Materialien (Moodle) AVG Wesel63