Nachhaltige Technologieentwicklung mit Nanomaterialien fileWohlleben, TU München 14.01.2009 2 Was...

1Wohlleben, TU München 14.01.2009

Nachhaltige Technologieentwicklung mit Nanomaterialien

Nachhaltige Technologieentwicklung mit Nanomaterialien

Dr. Wendel WohllebenTU München, 14.01.09Dr. Wendel WohllebenTU München, 14.01.09


Was ist Nano-Technologie ?

Risiko = Gefahr x Exposition

Markterwartung & Forschungs-Investitionen

Energie, Effizienz und andere Chancen


Natürliche Nanomaterialien

Nanostrukturierte Materialien weisen in mindestens einer Dimension Größenordnungen < 100 nm auf.

Nano-Partikel

Ruß

Lotus-Blatt

Nano-Oberfläche

Opal

Nano-Material


Materialeigenschaften verändern sich unterhalb 100 nmOberflächeReaktivitätOptik LeitfähigkeitMechanikMagnetismus....

Nano-Komposit-Materialien kombinieren gegensätzliche Eigenschaften

Neuartige Eigenschaften durch Nanostrukturen

200 nm

CaCO3Proteine


Materialeigenschaften verändern sich unterhalb 100 nmOberflächeReaktivitätOptik LeitfähigkeitMechanikMagnetismus....

Nano-Komposit-Materialien kombinieren gegensätzliche Eigenschaften

Neuartige Eigenschaften durch Nanostrukturen

100 nm

Polybutadien Polystyrol


Nanotechnologie ist die gezielte Erzeugung von Strukturen < 100 nm, durch die das

Material neuartige Eigenschaften gewinnt.

0,1nm

1nm

10nm

100nm

1µm

10µm

1mm

10mm

100mm

1m

Nano Mikro Makro

100µm


Komposit-Materialien: Definition und Vorteile

Physical Properties Organic materials (polymers)

Inorganic materials (glass, ceramics)

Tg Low (-120 to 200 °C) High (>>200 °C)Thermal stability Low HighDensity 0,9 – 1,2 g/cm³ 2,0 – 8,0 g/cm³

Refractive index 1,2 – 1,6 1,15 – 3,0Mechanical properties Elastic

FlexibleRubbery

HardStrongBrittle

Electronic and magnetic properties

Insulating to semiconductiveNon-magnetic

Insulating to conductiveMagnetic

Composites / Hybrid materialsHybrid materials consist of both inorganic and organic components, which are homogeneously distributed on the nanometer level. Hybrid materials shall combine the desired properties of both components.


TechnologieBasismaterialien

Nanopartikel

Nanoröhrchen

Nanoplättchen

Zwischenprodukte

Nanomodifizierte Kunststoffe

Nanomodifizierte Beschichtung

Nanomodifizierte Schäume

Nanostrukturierte Komponenten

Mobilität, Bau, Medizintechnik, Elektronik

Nanotechnologie und Marktbedürfnisse

Markt (Auswahl)Leichtbau

Funktionelle Verpackung

Kratzfeste Lacke, Reibungsarmut

Funktionelle Textilien

Photovoltaik

Dämmung

Energiespeicherung

Effiziente Beleuchtung

Wasser-Aufbereitung(Membranen, Filter, Katalysator)

Information & Kommunikation

Medizintechnik

Vgl. Niels Boeing „Grün, grüner, nano ?“ www.heise.de/tr/artikel/print/119408

http://www.heise.de/tr/artikel/print/119408


Was ist Nano-Technologie ?Gezielte Strukturierung < 100 nm mit neuartigen Eigenschaften




August 29-31, 2007Nano Korea 2007 10


Große Gefahr !

Große Gefahr, keine ExpositionGeringes Risiko !

Bildquelle: www.gewinn.com


• Normung ISO & OECD, VCI, ..• Nanotruck (BMBF 2004-2008), Nanologue (Deutsches Museum 2007), Ev. Kirchentag (2007), Expertendialoge Verbraucherverbände (2007), Bürgerdialoge (NanoCare 2008) ...

• NanoKomission mit Arbeitsgruppen des NanoDialogs (BMU 2006-2008)

• Geringes Risiko von Nano-Oberflächen, Nano-Komposit-Materialien• Gesunde Haut bietet guten Schutz• Aufnahme über Magen-Darm-Trakt weniger gut erforscht• Auswirkungen freier Partikel auf die Umwelt weniger gut erforscht

Teilnehmer am NanoDialog: BMU, BMBF, BLAC, BASF, Henkel, Evonik-Degussa, Nanogate, VCI, BDI, vzbv, BUND, DGB, Wissenschaft www.bmu.de/nanokomission

Vorbildliche Diskussion von Chancen und Risiken der Nanotechnologie: Deutschland

Besorgniskriterien:Exposition gegeben, hohe Mobilität, Reaktivität, Persistenz oder Toxizität der Materialien

Entlastungskriterien:Exposition weitgehend ausgeschlossenMaterialien eingebunden in KompositMaterialien löslich / biologisch abbaubar, intrinsisch niedrige Toxizität

http://www.bmu.de/nanokomission


Joint research to face Health and SafetyIssues

Start: 1st march 2006 duration: 3 yearsProject volume: 8 Mill. €BMBF: ca. 5.2 Mill. €Industry part: ca. 2.8 Mill. €

Partners:BASF SEBayer MaterialScience AGEvonik-Degussa AGForschungszentrum Karlsruhe GmbHIBE e.V.IGFItN Nanovation GmbHIUTA e.V.SOLVAY Infra Bad Hönningen GmbHSusTech GmbHUniversität BielefeldUniversität des SaarlandesUniversität Münster

BMBF Project NanoCare:Companies and scientific institutions join forces to research the effects of industrially-produced nanoparticles on human health and the environment.

BASF is taking part in more than 10 European projects and networks regardingNanotechnology Safety Issues

BASFs Code of Conduct Nanotechnology, commitment to Responsible Care®.


Communication of results

„Geeignete Methoden zur Prüfung der Sicherheit von Nanomaterialien“, Landsiedel, Wiench, Wohlleben, Chemie Ingenieur Technik 80 (2008) 1641

www.basf.de/dialog-nanotechnologie/sicherheitsforschung

Aerosol generation “Characterization of Aerosolized Nano-Materials”, Ma-Hock, Gamer, Landsiedel, Leibold, Frechen, Sens, Huber, van Ravenzwaay, Inhalation Toxicology 19 (2007) 8335-day inhalation test “Development of a short-term inhalation test in the rat using nano-titanium dioxide as a model substance”, Ma-Hock, Burkhard, Strauss, Gamer, Wiench, Ravenzwaay, Landsiedel, Inhalation Toxicology in press, (2008)Maximum translocation “Tissue distribution and toxicity of intravenously administered titanium dioxode(TiO2) nanoparticles in rats”, Fabian, Landsiedel, Ma-Hock, Wiench, Wohlleben, van Ravenzwaay, Archives in Toxicology 82 (2008) 151Ecotoxicology “Effects of TiO2 and ZnO nanoparticles on Daphnia magna”, Wiench, Wohlleben, Hisgen, Jänsch, Knacker, Liebig, Radke, Salinas, Zok, Landsiedel, submitted to Environmental Toxicology and Chemistry (2007)Mutagenicity „Do nano-particles induce mutations in salmonella strains ?”, Schulz, Landsiedel, Wohlleben, Frechen, van Ravenzwaay, to be submittedDispersion „Not ready to use – overcoming pitfalls when dispersing nanoparticles in physiological media“, Schulze, Kroll, Schäfer, Lehr, Becker, Schulze-Isfort, Schnekenburger, Landsiedel, Wohlleben, Nanotoxicology 2 (2008) 51

http://www.basf.de/dialog-nanotechnologie/sicherheitsforschung


Clear Principles for NanotechnologyBASFs Code of Conduct Nanotechnology

Based on our commitment to Responsible Care®, we defined clear principles:

We identify sources of risk for employees in our laboratories, production plants, packing and storage facilities and eliminate these using appropriate measures in conduction with safety actions

We take the risks of new technologies in products and processes seriously and work continuously to identify potential environmental and health risks.

We are committed to transparency and contribute constructively to public debate and drawing up legislation.

www.corporate.basf.com/de/sustainability/ dialog/nanotechnologie/verhaltenskodex.htm

Deutscher Nachhaltigkeitspreis 2008Dow Jones Sustainability Index



Risiko = Gefahr x ExpositionStaub-Exposition kann (je nach Partikel-Typ) kritisch sein: Arbeitsschutz!Kein Risiko von Endverbraucherprodukten (Komposit-Materialien).




Automobil-Komponenten

Energie

Elektronik

Bau

Medizintechnik

....

Forschung

Chemie

Physik

Analytik

Material -Wissenschaft

Biologie

EndprodukteVeredelteZwischenprodukte

Nano-Material

Nano-Oberfläche

Nano-Formulierung

Nano-ermöglichte Wertschöpfungskette2015: erwarte 750 Mrd € Endprodukte


BASF auf einen Blick

BASF ist das weltweit führendeChemieunternehmen– the Chemical Company.

Unser Ziel ist es, durch profitablesWachstum den Wert unseresUnternehmens ständig zusteigern und die Nummer eins in derChemie zu bleiben. Wir verbinden wirtschaftlichen Erfolgmit gesellschaftlicher Verantwortungund dem Schutz der Umwelt.Wir tragen dazu bei, Antworten auf globale Herausforderungen wieKlimaschutz, Energieeffizienz, Ernährung und Mobilität zu finden.

Umsatz € 58 Mrd (plus 10%) EBIT € 7,6 Mrd (plus 5%) R&D Aufwendungen € 1,4 Mrd(2007)


BASF’s products and intelligent solutions

Plastics

PerformanceProducts

Agricultural Products& Nutrition

Oil & Gas

Chemicals


Plattform-übergreifende Forschung in Wachstums-Clustern:

2006 – 2008 etwa € 920 million

Nanotechnologie & Energie bei BASF: Wachstums-Cluster

Rohstoffwandel; 100

Weisse Biotechnologie; 160

Nanotechnologie; 180

GrüneBiotechnologie; 400

Energie-Management; 80



Risiko = Gefahr x ExpositionStaub-Exposition kann (je nach Partikel-Typ) kritisch sein: Arbeitsschutz!Kein Risiko von Endverbraucherprodukten (Komposit-Materialien).

Markterwartung & Forschungs-Investitionen 2015 Nano-Markt 750 Mrd €, davon chemische Komposite 40 Mrd €



175 34 16 33 11

Quelle: Universität St. Gallen, Prof. Gassmann

Erfindungen Innovation

Produkte Markt ErfolgIdeen Projekte

Es geht um Ideen

Aber nicht jede Idee ist ein Markterfolg


Ultradur® High Speed

Neues Design, effiziente Produktion

AntimikrobielleOberflächen

Vermindertes Infektionsrisiko

Nano-SchäumeEffiziente

Wärmedämmung

Energie-Management, Organische Elektronik

COL.9®

Innovation für langlebige und

saubere Fassaden

Mincor® TX TTLotuseffekt:

Selbstreinigende Textilien

Nanotechnologie bei BASF:Innovations-Pipeline (Beispiele)

Launch ProduktIdee

1

2

35

64


Lighting currently uses 20% of all electrical energy worldwide

Huge potential for energy saving

3


Ziel im Vergleich zur Glühbirne:Leuchteffizienz 4 xLebenszeit 5 xHelligkeit 1 x

Ansatz:Entwicklung einesphosphorisierenden Farbsystems

Device-Entwicklung in Zusammenarbeit mit einemEntwicklungspartner

Device-Entwicklung

Materialien

Gemeinschaftsentwicklung mit OSRAM und Philips

EnergiemanagementOLED-Beleuchtung

Geschäftsmodell

Kunde

Partner

Royalties

MaterialienBASF inside:

3


Sun is powerful and for free …… but not cheap

Σ = ca. 900,000 km2

with solar cells of8 % efficiency: 18 TW*

* global energy demand 2006: 14 TW(28 TW expected in 2050)insolation power of the earth

in 2008PV-power costs

ca. 8 xthe cost of

conventional power

3


Markenschutz

Schaltkreise erfordern: Inverter, Ring-Oszillatoren, Flip-flops etc.

BeispielBeispiel: RFID: RFID--tagstags

3

RFID – Anwendungen

3

Mit COL.9® bleibenFassaden sauberer und sehen länger gut aus.

Mit COL.9® bleibenFassaden sauberer und sehen länger gut aus.

4


Eine weiche Polymer-Oberfläche...ist klebrignimmt leicht Schmutz anhat niedrige Bindekraftist nicht kratzfest

Filmbildung bei niedriger Verarbeitungstemperatur erfordert einen weichen polymeren Binder

Filmbildung einer FassadenfarbeFilmbildung einer Fassadenfarbe4


Nanocomposite DispersionsGoal: hard polymer film but low film formation temperature

silica sol

emulsionpolymerization

Nanocomposites

polymeracrylates

AFM

Film formation:

hard particlesin a soft

polymer matrix

4


Color Retention

Chalking Resistance

Dirt Pickup Resistance

Crack Resistance

COL.9™ DS 1100The Innovation for Waterborne Facade Paints with Outstanding Durability

Improved Properties of Paints Basedon Nanocomposite DispersionImproved Properties of Paints Basedon Nanocomposite Dispersion

homogeneous distribution of silica in acrylate matrix

TEM ultra thin cut

200 nm

4


Produktreihe High-Speed: Nano-Thermoplast schont Ressourcen und steigert die Produktivität

Nicht gedämmt gedämmt

PRODUKTEUltradur High Speed, Ultramid High Speed

NUTZENNeues Design, effiziente Produktion durch Verkürzung der Zykluszeiten

STATUSLaunch

MARKTEINFÜHRUNG2007 bzw. 2008 erfolgt

PARTNERDiverse KundenFreischwingerstuhl

‚Myto‘

6


0,7

1,0

1,30,71,01,3

Costs (normalized)

Envi

ronm

enta

l Im

pact

(nor

m.)

standard Ultradur Ultradur High Speed

Advantages* in energy consumption and CO2 emissions:Electricity and material savings

Ultradur® High Speed®

- Energy Savings -

Savings equivalent to driving75.000 cars** for one year !

Reduction of 220.000 metric tons CO2- emissions in one year !

*Calculated for an average energy consumption of injection molding machine of 3 kWh/kg PBT and a Worldwide PBT

injection market of about 610.000 metric tons per year.

**Calculated with a gasoline VW Golf 75 HP (emissions: Euro 4)

6


Globale Forschungsaktivitätenim BASF R&D Verbund

BASF AdvancedResearch Initiative at Harvard University

BASF Labor am ISIS Straßburg Universität

BASF Global Research CenterSingapur

Drug delivery SystemePolymer basierte Formulierungen

Verhinderung von BiofilmenKontrolle von Biofilmen durch funktionalisierte Oberflächen

Nanostrukturierte OberflächenOrganische Elektronik

Supramolekulare Systeme

Nanoporöse Materialien

BASF Ludwigshafen Technologieplattformen


Lösungen

Technologische AnsätzeNanotechnologieProzess-SteuerungSystemintegrationKatalyse

Ökonomie (Endlichkeit derfossilen Brennstoffe)Ökologie (Klimawandel) Politik (Importabhängigkeit)

Herausforderungen

Die Energie der Zukunft ?

Energie-Quellen: Photovoltaik

Energie-Speicherung: Batterien

Energie-Umwandlung: Brennstoffzellen

Energie-Effizienz: Thermoplasten, OLEDs,…


Einflüsse der Nanotechnologie auf die Umwelt

Gezielt positive Innovation: Energierevolution

• Regenerative Energien• Neue Energie-Speicher

Entfernung von Schadstoffen• Sanierung von Böden• Wasseraufbereitung

Indirekt positive Innovation: Effizienzsteigerung

• Effizientere Produkte• Langlebigere Produkte• Ressourcen- & Energie-effiziente Prozesse

Ungewollt negative Effekte: Risiko = Gefahr x Exposition

• Arbeitssicherheit• Produktsicherheit • Öko-Toxikologie

www.basf.de/dialog-nanotechnologie/sicherheitsforschung


Weitere Lektüre

Bericht und Empfehlungen der NanoKommission der deutschen Bundesregierung 2008

hrsg. von W.-M. Catenhusen; www.bmu.de/nanokommission

Niels Boeing „Grün, grüner, nano ?“ (Teile 1-3)

www.heise.de/tr/artikel/print/119408 /119668 /119669 (abgerufen am 08.12.2008)

Nature Feature „Electricity without Carbon“

Nature 454 (2008) 816 – 823; www.nature.com/news/2008/080813/full/454816a.html

http://www.bmu.de/nanokommission

http://www.heise.de/tr/artikel/print/119408

http://www.nature.com/news/2008/080813/full/454816a.html

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