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Hessisches Ministeriumfür Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung

www.hessen-nanotech.de

NanoProduktion Innovationspotenziale für hessische Unternehmendurch Nanotechnologien in Produktionsprozessen

Hessen Nanotech

NanoProduktion

Innovationspotenziale für

hessische Unternehmen

durch Nanotechnologien

in Produktionsprozessen

Band 6 der Schriftenreihe der Aktionslinie Hessen-Nanotech

Impressum

NanoProduktion Innovationspotenziale für hessische Unternehmendurch Nanotechnologien in Produktionsprozessen

Band 6 der Schriftenreihe der Aktionslinie Hessen-Nanotech des Hessischen Ministeriums für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung

Erstellt von:

Dr. Karl-Heinz Haas

Fraunhofer-Institut für

Silicatforschung (ISC), Würzburg

Daniel Heubach

Fraunhofer-Institut für Arbeitswirtschaft

und Organisation (IAO), Stuttgart

Redaktion:

Dr. Rainer Waldschmidt, Sebastian Hummel

(Hessisches Ministerium für Wirtschaft,

Verkehr und Landesentwicklung)

Alexander Bracht, Markus Lämmer

(Hessen Agentur, Hessen-Nanotech)

Herausgeber:

HA Hessen Agentur GmbH

Abraham-Lincoln-Straße 38-42

65189 Wiesbaden

Telefon 0611 774-8614

Telefax 0611 774-8620

www.hessen-agentur.de

Der Herausgeber übernimmt keine Gewähr für die

Richtigkeit, die Genauigkeit und die Vollstän digkeit

der Angaben. Die in der Veröffentlichung geäußerten

Ansichten und Meinungen müssen nicht mit der

Meinung des Herausgebers übereinstimmen.

© Hessisches Ministerium für Wirtschaft,

Verkehr und Landesentwicklung

Kaiser-Friedrich-Ring 75

65185 Wiesbaden

www.wirtschaft.hessen.de

Vervielfältigung und Nachdruck – auch auszugsweise –

nur nach vorheriger schriftlicher Genehmigung.

Gestaltung: WerbeAtelier Theißen, Lohfelden

Druck: Werbedruck GmbH Horst Schreckhase, Spangenberg


1. Auflage Juli 2007

2., unveränderte Auflage November 2011

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Abbildungen Titel: Andreas Fischer, KasselUnten (von links): Fraunhofer-ISC; Quelle: http://xnet.rrc.mb.ca/davidb/nanotools.htm;Firma Sensitec, Broschüre Hessen Nano im Automobilbau

1

Inhalt

Aktionslinie Hessen-Nanotech ............................................. 2

Vorwort ............................................................................................ 3

Motivation ...................................................................................... 4

NanoProduktion .......................................................................... 6

1 Einleitung – Was sind Nanotechnologien ? ................... 8

2 Verfahren zur Herstellung von Nanomaterialien und -halbzeugen ................................. 18

3 Handhabung und Analytik von Nanotechnologien .......................................................... 28

4 Anwendungen und Chancen der Nanotechnologien in der Produktion ............................ 32

5 Innovationspotenziale für hessische Unternehmen ....................................................... 52

6 Quellen, Literatur, Studien .................................................. 57

7 Anhang .......................................................................................... 61

2

Aktionslinie Hessen-Nanotech

Die Aktionslinie Hessen-Nanotech des Hessi-schen Ministeriums für Wirtschaft, Verkehrund Landesentwicklung bündelt und koordi-niert die Aktivitäten des Landes Hessen imBereich der Nano- und Materialtechnologiesowie der angrenzenden Felder der Ober flä-chentechnologie, der Mikrosystemtechnolo-gie und der Photonik.

Die bei der landeseigenen Wirtschaftsförde-rungsgesellschaft HA Hessen Agentur GmbHangesiedelte Aktionslinie hat das Ziel, dieWettbewerbsfähigkeit hessischer Technolo-gie- und Dienstleistungsunternehmen weiterzu stärken.

Dazu werden Kompetenzen, Erfahrungenund Potenziale des Wirtschaftssektors dar ge-stellt und weiterentwickelt. Eine wichtigeRolle spielt dabei die Vernetzung von Technologieanbietern und -anwendern.

Aufgaben der Aktionslinien sind auch dasTechnologie- und Standortmarketing, dieOrganisation des Informationsaustauschsund die Informationsvermittlung sowie dieFörderung der Netzwerkbildung.


NanotechHessen

3

Vorwort

Nanotechnologie kann in nahezu allen Produktionsbereichen eine

Hebelfunktion übernehmen und Wettbewerbsvorteile sichern. Kleinste

Strukturen erzeugen, analysieren, modifizieren und damit Zusatznutzen

und Effektivitätssteigerungen erreichen – all dies können auch kleine

und mittelständische Unternehmen umsetzen. Diese Broschüre zeigt,

wie das mit vertretbarem Aufwand möglich ist.

Für die Produktion im 21. Jahrhundert gelten Nanotechnologien weltweit

als Innovationstreiber. Deutschland ist in der Forschung auf diesem

Gebiet derzeit führend. Um eine schnelle Umsetzung der Ergebnisse in

die industrielle Produktionspraxis zu erreichen, müssen Forschungsein-

richtungen und Industrieunternehmen eng zusammenarbeiten. Darum

wollen wir die Stärken Hessens in der Produktion mit seinen Stärken in

der Nano-Forschung verknüpfen.

Für Unternehmen kann die Integration der Nanotechnologien in die

Herstellung einen entscheidenden Schub hin zu Hochleistungsprodukten

und innovativen Verfahren bringen und damit Wettbewerbsvorsprünge

sichern und ausbauen. Nur wenn es in Zukunft gelingt, durch Hightech-

Produkte und -Verfahren eine wirtschaftlich effiziente Produktion zu

ermöglichen, können heimische Arbeitsplätze – bis hinein in den Dienst-

leistungssektor – erhalten und gesichert werden.

Dieter Posch

Hessischer Minister für Wirtschaft,

Verkehr und Landesentwicklung

Motivation

4

Nanotechnologien haben Konjunktur.

Nano ist in. Was sich im Kleinstmaßstab abspielt,erlebt derzeit einen regelrechten Hype: Dem Winzi-gen gehört die Zukunft, heißt es allenthalben überNanotechnologien (NT). Von Übertreibungen derMedien abgesehen – unter Fachleuten ist unstrittig,dass NT als DIE Schlüsseltechnologien für das 21.Jahrhundert schlechthin gelten dürfen, mit Aus wir -kungen auf nahezu alle Industriebereiche.

Innovative Antworten auf Fragen aus der Praxis.

Aber gilt dies auch für Ihr Unternehmen? Wie kön-nen NT in der Produktion eingesetzt werden – alsoVerfahren, um kleinste Strukturen zu erzeugen, zuanalysieren und zu modifizieren? Inwiefern kannschiere Größe – oder eben: Kleinheit – überhaupteine eigene Qualität erlangen? Und wann ist sie pro-duktionsrelevant?

Gibt es bereits aktuelle Belege dafür, dass Produk-tionsprozesse durch NT effizienter werden – oderkommen Sie erst in fünf, zehn, gar zwanzig Jahrenmit NT in Berührung? Lohnt es sich, schon jetzt aufNT zu setzen – oder vielleicht gerade jetzt? KönnenSie mit NT neuartige Güter herstellen, die mit kon-ventionellen Verfahren nicht möglich sind? Gibt esbereits einen Markt für NT-Produkte – und wie wer-den sich Angebot und Nachfrage entwickeln?

Wirtschaftliche Potenziale der NT nutzen.

Die vorliegende Broschüre soll Ihnen helfen, einenÜberblick über Verwertungsmöglichkeiten zugewinnen, welche die NT bereithalten. Vor allemkleine und mittelständische Unternehmen sollen indie Lage versetzt werden, die wirtschaftlichen Poten-ziale der NT zu erkennen und für sich zu nutzen. DiePublikation gibt Ihnen erste Informationen an dieHand, um innovative Technologien zu beurteilen,die nötigen Ressourcen aufzubauen und geeigneteKooperationspartner zu finden. Sie werden mit denwichtigsten NT-Verfahren vertraut gemacht: WieNanomaterialien hergestellt werden, die als Aus-gangsbasis für weitere NT-Anwendungen dienen,wie man diese Grundbausteine verarbeitet und wieman ihre Eigenschaften überprüft. Nicht zuletzt wirdder Nutzen diskutiert, der aus neuen Produkteigen-schaften, effizienteren Herstellungsprozessen undverminderten Kosten resultiert.

Alle Anwendungen werden anhand aktueller Bei -spiele erläutert. Eine Vielzahl von Tabellen bieteteine kompakte Übersicht über die relevanten Infor-mationen; zahlreiche Abbildungen veranschau li chendie komplexen Zusammenhänge. Die Darstellungorientiert sich an Fragestellungen aus der indus-triellen Praxis, auf die sich NT anwenden lassen.

In Tabelle 1 sind eine Reihe solcher Themen aufge-führt. Wenn eine dieser Fragen für Ihr Unternehmenrelevant ist, dann kann es sich lohnen, sich mit demEinsatz von NT zu befassen. Am Beispiel des Spritz -gießens zeigt Abbildung 1 exemplarisch die Anwen-dungsbreite der NT in einer Produktionsumgebung.

Praktisch jedes Unternehmen

kann von dem Inno vations -

potenzial der NT profitieren

– die Broschüre zeigt, wo.

Geruchsabsorbierende Schichten/Abluftreinigung

Sensoren/Aktuatoren

Antireflex-/Antifogging/Kratzfestschichten für Verscheibungen

Antihaftschichten undVerschleissschutzschichtenfür Werkzeuge

Robuste Touch-Screen Displays

Antibakteriell bzw. Easy-to-Clean ausgerüstete Oberflächen (Lebensmittel, Pharma, Medizintechnik), Geräte, Wände, Böden

Zugabe von Nanopartikeln zur verbessertenFliessfähigkeit der Polymerschmelze

Abwasserreinigung(Photokatalyse, Nanomembranen)

Abbildung 1:

Anwendungsbei-

spiele der NT in

einer Produk tions -

umgebung (Spritz-

gussverarbeitung)

5

Nano-Produktion ist einegroße Chance für den Wirt-schaftsstandort Deutschland.Dabei kann auf starke underfolgreiche Basistechnolo-gien zurück gegriffen werden:Eine starke produk tions- undverfahrenstechnische Indus-trie, ge paart mit hohem mate-rialwissenschaftlichen Know-how in Theorie und Anwen-dung bildet eine erste Vor -aussetzung. Wenn jetzt nochsystemtechnisches Wissendazu kommt, zusammen mitder Bereitschaft, die in derVergangenheit richtigen Gren- zen von Fachgebieten zu ver-lassen, damit neue Kombi-nation von Wissen entstehen,dann sind die Rahmenbedin-gungen für marktfähige Inno-vationen durch Nanotechno-logien in Produktionsprozes-sen gelegt.

Die Zukunft wird zeigen, dassausgehend von dieser Basis,mit Nanotechnologien in Pro-duktionsprozessen wir nichtnur im internationalen Techno-logiewettbewerb erfolgreichbestehen, sondern auch zu-künftige Kundenanforderun-gen und politische Nachhal-tigkeitsziele erfüllen können.

Klaus ZimmerVDMA Fachverband Micro Technology

FRAGESTELLUNGEN BEISPIELE KAP.

Soll der Reinigungsaufwand von Gerä-ten und Maschinen verringert werden?

Antihaftbeschichtungen, selbst-reinigende Schichten (Photokatalyse)

4.2.1

Soll die Hygiene (Arbeitsoberflächen,Arbeitskleidung, Böden, Luft) verbes-sert werden?

Antimikrobielle / -bakterielle Ausrüs-tung, photokatalytisch aktive Wändeoder Böden, geruchs- bzw. schad-stoffabsorbierende Schichten, Filter

4.2.2, 4.4.5

Soll die chemische und thermischeBeständigkeit von Metallen verbessertwerden?

KorrosionsschutzschichtenThermische Schutzschichten

4.3.1, 4.3.3

Soll die Standzeit von Werkzeugen verlängert werden?

Robustere Kunststoffoberflächen (transparente Polymere)

Erhalt bzw. Verbesserung von Optik /Haptik / Design im Gebrauch (Verhin-dern von Beschlagen durch Feuchte,Fingerspuren auf hochglänzenden Flächen oder Kunststoffen)

Tribologische Schutzschichten(Nanokomposite oder Mehrfach-schichten)

Erhöhung der Kratzfestigkeit mit Nanokompositlacken

Antifogging / Antifingerprint, Anti re-flex, transparent leitfähige Schichtenfür robuste Touch-Screen-Displays

4.3.2

4.4.1

4.4.3, 4.4.4

Soll der Lösemitteleinsatz zur Res sour-censchonung reduziert werden?

Nanodünnschichten 5.3

Soll die Abwasserbelastung verringertwerden?

Einsatz von Nanofilterfliesen, Nano-partikel für Abwasserreinigung, Photokatalyse

4.3.4

Soll die Arbeitssicherheit verbessertwerden?

Antistatische Ausrüstung von Kunst-stoffen, Brandschutzlacke mit Nano -partikeln, Wärme- und Schallschutz,Elektromagnetische Abschirmung

4.4.1, 4.4.7, 4.4.2

Soll die Dichtheit erhöht werden? Barriereschichten mit Nanofüllern,Hybridpolymerlacke

4.4.8

Soll die Online-Kontrolle von Pro duk-tionsprozessen verbessert werden?

Nanosensoren 4.5.1

Soll die Genauigkeit (Dosieren, Entleeren) erhöht werden?

Nanomanipulatoren, Antihaftschichten für Behälter

4.5.2, 4.2.1

Soll die Fälschungssicherheit von Produkten verbessert werden?

Einsatz von speziell markierten Nanopartikeln im Produkt oder inder Verpackung

4.5.3

Soll Energie durch Reduktion der Prozesstemperaturen eingespart werden?

Verwendung / Einsatz von nanoskali-gen Pulvern, Zugabe von Nanofüll -stoffen zu Polymeren zur verbesser-ten Fließfähigkeit

4.6

Soll die Effektivität von Fügeprozessen gesteigert werden?

Einsatz von Klebern mit nanoskali-gen Partikeln bzw. Nanopulver fürthermische Fügeverfahren

4.6

NanoProduktion

6

Starke Effekte …Nanotechnologien (NT) wirken in der Industrieproduktion als Hebel: Mit überschau ba -rem Aufwand lässt sich eine weitreichende Wirkung erzielen. Die Grundlage bilden neueMaterialeigenschaften sowie effizientere Verfahren – mit doppeltem Ertrag: Einerseitslassen sich etablierte Produkte einfacher und preisgünstiger erzeugen; die beteiligtenProzesse werden mit Hilfe von NT optimiert oder gleich neu gestaltet. Andererseitsermöglichen NT gänzlich neue Produkte. Die vorliegende Broschüre stellt die vielfältigenMöglichkeiten anhand konkreter Bei spiele vor und gibt Anregungen, wie Unter nehmenvon NT profitieren können.

… dank kleinsten Maßstabes.Nanotechnologien setzen in einem Größenbereich an, der bei einigen millionstel Millimetern liegt. Viele Stoffe ändern im Nano-Maßstab ihre gewohnten Eigenschaften,zum Beispiel Schmelzpunkt, Härte oder Wärmeleitfähigkeit – ein Umstand, den man sichtechnisch zunutze machen kann. Wie gut sich NT anwenden lassen, ist von Branche zuBranche verschieden. Zum Teil sind die neuen Verfahren bereits fest etabliert, etwa beider Produktion von Beschichtungen, Fahrzeugreifen oder Lacken. In anderen Fällenbesteht noch Forschungsbedarf. Kapitel 1 gibt eine allgemeine Einführung in die NT,die sowohl auf die naturwissenschaftlichen Grundlagen eingeht, als auch derenwirtschaftlichen Potenziale skizziert. Unternehmen können auf drei erlei Arten von NTprofitieren: Indem sie …

… Nanomaterialien herstellen, die als Basis für die Weiterverarbeitung dienen.

Es gibt grundsätzlich zwei Ansätze, um Nanomaterialien zu produzieren: Entweder wer-den diese aus ihren molekularen Bestandteilen zusammengefügt (Bottom-Up-Prinzip);oder man setzt trennende Verfahren ein, um größer strukturierte Ausgangsstoffe weiterzu miniaturisieren (Top-Down-Prinzip). Einige Methoden werden seit Jahrzehntengroßtechnisch eingesetzt, zum Beispiel das Polieren von Oberflächen bei Computer-chips. Kapitel 2 bietet eine Übersicht über die wichtigsten Techniken, mit denen sichNanopartikel, Fasern, Schichten und Komposite erzeugen lassen.

… Nanotechnologische Analysemethoden anwenden, zur Qualitätssicherung oder zur Bearbeitung imNanomaßstab.

Die Analyse von Nanostrukturen ist eine der zentralen Aufgaben der Nanowissen schaf -ten. Moderne Hochleistungsmikroskope sind in der Lage, Materialien im Nano-Maßstababzubilden; solche Nachweismethoden haben wachsende Bedeutung für die Qualitäts -sicherung. Darüber hinaus spielen Sensoren eine große Rolle, die beispielsweise Tem-peratur und Feuchtigkeit während der Produktion kontrollieren. Rasterkraftmikroskopesind außerdem in der Lage, atomare Strukturen nanometergenau zu positionieren, wenngleich derzeit noch ausschließ lich unter Laborbedingungen. Kapitel 3 liefert eineZusammenstellung gängiger Analysemethoden und erklärt, wie sie funktionieren.

7

Die vorliegende Broschüre soll vor allem kleinenund mittelständischen Unternehmen in Hessenhelfen, Entwicklungen der NT, die produktions rele-vant sind zu erkennen und zu beurteilen, die nöti-gen Res sourcen und Kompetenzen dafür auf -zu -bauen sowie geeignete Kooperationspartner zufinden. Sie werden mit den wesentlichen Verfahrenvertraut ge macht wie Nanomaterialien, die sogenannten Grund bausteine und damit die Grund-lage für Anwendungen der NT, hergestellt und ver-arbeitet werden (Kapitel 2) und welche Eigen-schaften sich mit NT positiv beeinflussen lassen(Kapitel 4).

Dazu werden Sie aktuelle anwendungsrelevanteBeispiele vor allem aus dem Bereich der Oberflä-chenveredelung kennenlernen. Die Broschüre zeigtauf, welche Neuheiten durch die NT möglich sind.

So können Unternehmen durch NT traditionelleProdukte effektiver und effizienter produzieren (alsreine Prozessinnovation) – oder durch NT neue Pro-dukte herstellen oder sie durch NT erst möglichmachen (Produkt- und Prozessinnovation). Auf denersten Aspekt (Prozessinnovation) wird in dieserBroschüre ein besonderer Schwerpunkt gelegt. Folgende produktionsrelevanten Fragestellungenwerden deshalb in der Studie beleuchtet:

a Welche Produktionsprozesse sind für die Herstellung von Nanomaterialien und -halbzeuge relevant? (siehe Kapitel 2 und 3)

a Wie können klassische Produktionsprozesse mit Unterstützung von NT effektiver werden?(siehe Kapitel 4)

a Welche neuen Produkte sind durch NT möglich? (siehe Kapitel 4)

Zielsetzung der Broschüre

… NT nutzen, um Produktionsprozesse zu optimieren.Häufig lassen sich Herstellungsverfahren effektiver gestalten, indem man sich der NTbedient: Werk zeuge sind länger einsetzbar, sofern sie durch Beschichtung mit Nanoma-terialien geschützt werden; Prozessschritte laufen effektiver bei niedrigeren Tempera-turen ab, wenn man Nanopartikel zusetzt. Kapitel 4 führt eine Vielzahl von Maßnahmenauf, die den Ressourcenverbrauch vermindern, die Betriebssicherheit verbessern oderdie Qualität der erzeug ten Güter erhöhen.

Konkurrenzfähig durch NT.Unternehmen erzielen messbare Wettbewerbsvorteile, wenn sie NT in der Produktioneinsetzen. Zum Beispiel lassen sich Kosten vermindern, obwohl Nanomaterialien oftmalsteurer als herkömmliche Alternativen sind: Denn Nanomaterialien sind in der Regelsparsamer im Verbrauch, dabei aber leistungsfähiger. Es muss daher immer mit den Systemkosten kalkuliert werden, nicht mit den reinen Anschaffungskosten der Aus-gangs stoffe. Kapitel 5 zeigt auf, welche wirtschaftlichen Umstände zu berücksichtigensind, wenn Unternehmen in NT investieren. Eine Zusammenstellung wichtiger Kontakt -adres sen rundet die Darstellung ab.

Ob es sich für ein Unternehmen lohnt, auf die viel versprechenden Möglichkeiten der NTzu setzen, muss von Fall zu Fall entschieden werden. Die vorliegende Bro schüre gibt dazuerste Orientierungs hilfen.

1 Einleitung – Was sind Nanotechnologien?

8

Eine allgemein akzeptierte gültige Definition von NTgibt es nicht. In den meisten Fällen geht es bei NTum Materialien, Verfahren und Systeme bei denenStrukturen (Partikelgrößen, Filmdicken, Faserdurch -messer etc.) oder Genauigkeiten im Bereich von1–100 nm eine wesentliche Rolle spielen. In diesemGrößenbereich ändern sich viele Eigenschaften vonStoffen (siehe Kapitel 1.1), d. h. es sind neue oderverbesserte Funktionen möglich, die mit größerenoder kleineren Systemen (Atomen, Molekülen) nichtrealisiert werden können. NT müssen deshalb alsKombination von Größe und Funktion verstandenwerden, nur klein zu sein reicht also nicht aus.

Bereich der NT mit Relevanz für die Produktion

Abbildung 3 zeigt die drei grundlegenden Bereicheder NT mit Produktrelevanz: Einen Schwerpunktbilden Nano-Werkzeuge (Analytik und Manipula-tion), die für die Herstellung, Analyse und Detektion

von Nano-Werkstoffen und Nano-Systemen uner-lässlich sind. Dazu gehören z. B. auch Verfahren, um ultraglatte Oberflächen durch chemisch-mecha-nisches Polieren oder den Einsatz von Lasern (sieheKapitel 2.4) zu erzeugen. Nano-Werkstoffe bildendie zweite wichtige Kategorie, hierunter fallen alleNano-Materialien und -strukturen (siehe auch Ta -belle 2). Die letzte Kategorie bilden Nano-Systeme,die auf Nano-Werkstoffen aufbauen, jedoch in einemkomplexen, z. B. mechanischen, optischen oderelektro-magnetischen Bauteil integriert sind.

Die Erforschung nanoskaliger Systeme wird alsNanowissenschaft bezeichnet. Industrielle Verfah -ren, um mit solchen Struktureinheiten Produkteherzustellen bzw. Prozesse zu etablieren, werden alsNanotechnologien (NT) bezeichnet. Die Broschürebehandelt deshalb die NT, die für die industrielleFertigung relevant sind.

1 mHöhe Geländewagen 2 m

0,1 m Singvogel 10 cm

Außenabmessung Mikrochip 1 cm 1 cm

1 mm Floh 1 mm

0,1 mm=100 µm

10 µm

Durchmesser eines Menschenhaars 100 µm

1 µm Staubkorn 1–5 µm

Zelle ca. 25 µm

0,1 µm=100 nm

10 nmSchrift aus Atomen (Raster-Tunnel-Mikroskop)6,5 nm

Kleinste Abmessungen in integrierten Schaltungen < 90 nm

1 nm

Strukturen für Quanten-elektronik 20 nm

0,1 nm DNA 2 nm breitAtome 0,1–0,4 nm

Abbildung 2:

Vergleich Größen-

ordnungen der NT

(Quelle Flad & Flad

Communication)

9

1.1 Effekte der NanoskaligkeitNanoskalige Systeme finden sich im Übergangs-bereich zwischen Molekülen / Atomen, die wir auf-grund ihrer geringen Größe nicht sehen können,und makroskopischen Materialien mit Eigenschaf -ten, die wir aus dem Alltag kennen. Beispielsweiseentspricht es dem allgemeinen Alltagsverständnis,dass Farbe und Schmelzpunkt von Stoffen nicht vonder Stoffmenge / Partikelgröße abhängt: 1 Grammreines Gold und 1 Kilogramm reines Gold habendieselbe Farbe und schmelzen beide bei derselbenTemperatur. Dies ist in der Nanowelt nicht so: Hierkann der Schmelzpunkt abnehmen, wenn die Teil -chen immer kleiner werden und ihre Farbe kann vonihrer Größe abhängig sein: Mit abnehmender Größeder Goldpartikel (siehe Abbildung 4) in einer Flüs-sigkeit ändert sich die Farbe von Violett nach Rot. ImBereich unterhalb von 100 nm Strukturgröße ändernsich viele Materialeigenschaften drastisch, dies ver-sucht man technisch auszunutzen.

Abbildung 3:

Nano-Werkzeuge,

Nano-Werkstoffe und

Nano-Systeme

Abbildung 4:

Suspension von Goldnano partikeln unterschied licher

Größe in einer Flüssigkeit: Abhängigkeit der Farbe

von der Teilchengröße (im Bereich 5–20 nm)

(Quelle: www.nbi.dk/ ~pmhansen/gold_trap.htm)

Nanowerkstoffe mit Relevanz für die Produktion, z.B. in Ober-flächenbeschichtungen und Werkstoff-Komposite sind schonkommerziell weit verbreitet(siehe Kap. 2.2 und 4, Tabelle 2)

WerkstoffeNanowerkzeuge mit Relevanz für die Produktion wie Raster-kraft- und Rastertunnelmikro-skop gehören zur Standardaus-rüstung in der Forschung(siehe Kap. 3)

Werkzeug

SystemeNanosysteme mit Relevanz für die Produktion wie Chipsysteme oder Sensoren befinden sichnoch größtenteils im Stadium derGrundlagenforschung(siehe Kap. 4.5.4, und 4.7)

10

Die Nanostruktur von Materialien wirkt sich vor allemauf folgende Bereiche aus:

a Oberflächen / GrenzflächenEin großer Teil der Atome befindet sich an derOberfläche, daraus resultieren eine hohe Reaktivität der Partikel, eine große spezifischeOberfläche, die Absenkung von Schmelztem-peraturen, die Zunahme der Härte von Metallen,eine erhöhte katalytische Aktivität u. v. m.

a Optische und elektrische Eigenschaften, QuantenmechanikFarbe und Fluoreszenz ändern sich (durch dieEinschränkung der Beweglichkeit von Ladungs -trägern), die Lichtstreuung nimmt ab oder estreten Tunneleffekte auf (Teilchen können hohePotenzialbarrieren durchdringen)

a Kooperative EffekteDas magnetische oder dielektrischeVerhalten ändert sich

a TransportvorgängeDie Transportvorgänge von Ladung oder Wärmewerden durch die Nanodimension bestimmt. Sowird der elektrische Widerstand sehr klein z. B.bei Kohlenstoffnanoröhren. Die Wärmeleitungnimmt ab, wenn die mittlere freie Weglänge derGasmoleküle kleiner ist als der Porendurch mes -ser (Nanoschäume). Die Gasteilchen könnendurch Stöße untereinander keine Wärme mehrtransportieren, dadurch wird die Wärmeleit-fähigkeit drastisch reduziert.

Die Beispiele machen deutlich, dass NT keine Pro-dukte sind – vielmehr werden die vielfältigen Eigen-schaften und Funktionalitäten von nanoskaligen Struk-turen in und für Materialien und Strukturen, Halb -zeuge und Produkte genutzt. Die breiten Anwen-dungspotenziale von NT ergeben sich also aus dennaturwissenschaftlichen Grund lagen, speziell aus:

a neuen physikalischen Funktionalitäten, diemechanische, elektrische, magnetische, optische oder thermische Eigenschaften vonNanomaterialien und -strukturen verbessern,

a neuen chemischen Eigenschaften durch die vergrößerte Oberflächen und die geometrischeAnordnung von Atomen, so dass sich Schmelz -punkte ändern und sich die chemische Reaktivi -tät oder katalytische Ausbeute verbessert sowie

a neuen biologischen Funktionalitäten durchmolekulare Erkennung, die zu Selbstorganisa-tion, Selbstreparatur, Adaptionsfähigkeit oderErkennungsfähigkeit von Nanostrukturen führen.

1.2 Nano-Systeme und -materialien

Nanoskalige Systeme können in unterschiedlicherForm und Ausprägung auftreten: als Partikel, Fasern,Schichten oder Formkörper. Eine Übersicht hierzuzeigen Abbildung 5 und Tabelle 2.

Abbildung 5: Verschiedene Formen von Nanomaterialien

Nanopartikel sind in allen drei Raumrichtungennanoskalig, hier treten die Effekte der Nano ska ligkeitam ausgeprägtesten auf. Nanopartikel können ineiner Matrix vorliegen (Komposit) oder, wenn sichdie Nanopartikel berühren z. B. keramische odermetallische Formkörper bilden. Nanofasern sind inzwei Raumrichtungen nanoskalig. Schichten sinddurch ihre nm-Dicke nur in einer Dimension nano-skalig, oft in mehreren Schichten übereinander (Mul-tilayer). Vor allem bei Schichten spielt auch die Struk-turierung ihrer Oberflächen eine wichtige Rolle(Lotuseffekt, optische Effekte). In anderen Fällen sindPoren im nm-Bereich wesentlich für die Funktion(Antireflexschichten, Wärmeisolation, Filtration etc.).

Schichten

strukturierte Oberflächen

Formkörper

Fasern

Partikel

11

FORM MATERIALIEN ANWENDUNGSBEISPIELE

Partikel (Füllstoffe)

TiO2, ZrO2, SiO2, Al-Oxid, ZnO,Antimon-Zinn-Oxid, Indium-Zinn-Oxid (ITO), C60-Fullerene, Ag

Füllstoffe für Komposite z. B. Zu ga be vonNanopartikeln für Lacksysteme zumKratzschutz, UV-Absorption in Sonnen-cremes, transparente elektrische Leit fä-higkeit, Antistatik, antimikrobielle Funk-tionen u. a.

Formkörper

Metalle, Keramiken, Nanopartikelin metallischen oder keramischenHartschichten

Keramische oder metallische Formkörpermit erhöhter Zähigkeit bzw. Härte

Komposite

Nanopartikel in Polymeren

Nanoporen

Tennisschläger mit Carbon Nanotubeszur mechanischen Verstärkung sowieZugabe von Schichtsilikaten zu Polyme-ren für verbesserte Barrierewirkung,Flammschutz etc.

Wärmeisolation, Antireflexschichten

Fasern / Röhren

Carbon Nanotubes (CNTs, als Single Wall-CNTs oder Multi-Wall-CNTs), Polymer-Nanofasern

Füllstoffe für Komposite (verbesserteelektrische Leitfähigkeit und Wärmeleit-fähigkeit), Filtration

Schichten

Nanolackschichten, anorganisch-organische Hybridpolymere,PVD/CVD-Schichten, Einfach- oderMehrfachschichten

Strukturierte Oberflächen(Ätzstrukturen, Prägungen)

Kratzfeste Schichten für Polymere, tribo-logische Schutzschichten für Metalle,photokatalytisch aktive Schichten, antimi-krobielle Schichten

Optik, Antireflex-Schichten, diffraktiveoptische Elemente (DOW), Lotuseffekt-Strukturen für verringerte Oberflächen-energie

Tabelle 2:

Beispiele für Nano-

materialien und

mögliche Anwen-

dungen

12

Materialien mit Teilchengrößen unterhalb von 100nm sind keineswegs neu. Es gibt vielerlei industrielleAnwendungen, die Nanopartikel z. T. seit langer Zeitz. B. als Füllstoffe (Ruße, Kieselsäuren), Katalysato-ren, Tinten etc. verwenden. Dies kann als klassischeNT bezeichnet werden. Durch diesen Bereich wer-den bislang mehr als 90 % der Märkte für Nanoma-terialien bestimmt. Neuartige Nanomaterialien sindseit rund 20 Jahren in Form z. B. von Kohlenstoff na-noröhren (Carbon Nanotubes, CNTs) oder auch Ful-lerenen (C60) hinzugekommen, zusammen mitmodernen Methoden, um isolierte Nanopartikel, d. h.nicht zu größeren Partikeln verklumpende nanoska-lige Partikel, mit enger Größenverteilung herzustel-len. Die visionäre NT (u. a. Eric Drexler, Richard Feyn-man) beschäftigt sich mit den so genannten moleku-laren Assemblern, also Nanomaschinen, die einzelneAtome an beliebige Stellen platzieren können unddamit einen molekularen Maschinenbau ermög lichen, eine Art Ultraminiaturisierung. Einzelne Atomekönnen schon heute mit der Spitze eines Rastertun-

nelmikroskopes gezielt auf der Oberfläche einesSubstrates bewegt werden (siehe Abbildung 6). 35 Xenon (Xe)-Atome bilden das IBM-Logo auf einerNickel (Ni)-Einkristall-Oberfläche. Die „Beschriftung“des Ni-Einkristalls mit dem IBM-Logo dauerte22 Stunden bei einer Temperatur von –269 °C!

Eine Parallelisierung dieses Verfahrens ist jedoch bis-lang nicht möglich, so dass auf diese Weise in naherZukunft kein industriell relevantes Produktionsver-fahren entstehen wird. Einige dieser Visionen (Mole-kulare Assembler: Ultrakleine Robotersysteme, dieeinzelne Atome gezielt zu Molekülen bzw. größerenEinheiten zusammenbauen können) sind außerdemnoch mit vielen theoretischen Unklarheiten behaftetund sollen daher hier nicht näher behandelt werden.Eine Computergrafik (Abbildung 7) zeigt, wie mansich ein molekulares Getriebe (Ultraminiaturisierung)vorstellen kann. Der Antrieb dieses molekularen Bau-teiles könnte mit Laserstrahlen erfolgen, dazu wäreallerdings eine Kühlung mit flüssigem Helium nötig.

Abbildung 6:

Bewegen einzelner

Atome mit der Spitze

eines Rastersonden -

mikroskops

(Quelle: Eigler 1990)

Abbildung 7:

Molekularer Maschinenbau: Computergrafik

eines molekularen Zahnrades basierend auf

funktionalisierten Kohlenstoffnanoröhren (Quelle:

http://xnet.rrc.mb.ca/davidb/nanotools.htm)

1.3 Die Entwicklung der NT: Klassische, moderne und visionäre Aspekte

13

Werkstoffe aus Nanomaterialien sind die Basis deram weitesten verbreiteten Anwendungen der NT.Ihre intrinsischen Eigenschaften sind aber nur einTeil des nutzbaren Potenzials der NT für die Pro-duktion. So bieten die beiden prinzipiellen Ansätzezur Herstellung von Nanomaterialien – „vom Großenzum Kleinen“ (Top-Down) und „vom Kleinen zumGroßen“ (Bottom-Up) – viele interessante (neue)Möglichkeiten für Unternehmen. Trennende undspanende Verfahren zur Herstellung von Materialienwerden so um Selbstorganisationsverfahren zumAufbau von Material ergänzt. Die Abbildung 8 zeigtdie beiden Ansätze sowie die zugrunde liegendenVerfahren. In Kapitel 2.2 werden wir einige Herstel-lungsprozesse im Detail betrachten.

Abbildung 9 zeigt die Relevanz der Nanomaterialienfür Produktions- und Bearbeitungsprozesse ausSicht der Prozesskette. Nanomaterialien und -halb-zeuge werden für die Produktion und Produkte ent-wickelt und hergestellt. In der Produktion traditio-neller oder neuer Produkte können die Eigenschaf-ten bestimmter Nanomaterialien den Produktions-prozess effizienter und effektiver gestalten, entwe-der durch gezielte, dauerhaft bereitgestellte Funk-tionalitäten für Werkzeuge (z. B. Easy-to-clean-Ober -fläche, Antihaft-Beschichtung von Werkzeugen) oderals Teil des Produktionsprozesses, ohne im Produktenthalten zu sein (z. B. der Einsatz von Nanopulvernzur Herstellung von keramischen und metallischenBauteilen – hier spielt die Reaktionsfähigkeit derNanopulver eine grosse Rolle, Prozesse können beiniedrigeren Temperaturen ablaufen), aber das End-produkt muss nicht nanoskalig aufgebaut sein.

Abbildung 9:

Prozesskette beim

Einsatz von Nano -

materialien in der

Produktion

Top-Down

Bottom-Up

Nano-strukturiertes

Material

Zusammenbauaus molekularen

Bausteinen(„Building Block“)

Großes kleinermachen,

Selektieren

Ansatz Verfahren

Chemische SynthesePartikel, Moleküle

Self-AssemblyKristalle, Filme, Tubesbiologische Systeme

Positional Assembly„molekulare Geräte“

LithografieElektronische Geräte,Chip-Masken

Spanen, Ätzen, MahlenPräzise gefertigteOberflächen

Abbildung 8:

Bottom-Up und Top-Down-

Verfahren zur Herstellung

von nanostrukturierten

Materialien

NT-Eigenschaftenin der Produktion

NT-Prozesspartikelin der Produktion

NT-Eigenschaftenin Produkten

Nano-Materialien

Produkte

ProduktionTraditionelleProdukte

Neue Produkte

Nano-Halbzeuge

1.4 Nanomaterialien und ihre Relevanz für Produktions- und Bearbeitungsprozesse

14

Abbildung 10 verdeutlicht einige Aspekte am Bei-spiel der Polymerverarbeitung z. B. für die Herstel-lung von Nanokompositen. Ein Aspekt betrifft dieHerstellung und Dispergierung von Nanopartikelnzur Einarbeitung in eine polymere Matrix, also dieBereitstellung der Nanomaterialien. Das Einmischenbzw. Erzeugen der Nanopartikel erfolgt in einemExtrusionsprozess, der als Zwischenstufe das Poly-mergranulat liefert, welches dann durch Spritzgussoder Folienziehverfahren weiterverarbeitet wird. DieFolien bzw. Spritzgussteile können, sofern nötig,auch durch Beschichtung mit Nanolacken weiter ver-edelt werden.

Polymerbasierende Nanokomposite (Herstellung,Verarbeitung, Anwendung) werden z. B. im Projekt-haus „Funktionelle Polymere“ der Degussa AG inten-siv erforscht.

Den Produktionsprozess bei der Polymerverarbei-tung können Nanomaterialien als tribologischeSchutz- bzw. Antihaftschichten bei der Extrusionoder beim Spritzguss verbessern, die Zugabe vonNanopartikeln erhöht die Fließfähigkeit von Poly-merschmelzen (einfachere Verarbeitbarkeit) etc. Beiden Werkzeugen für die Verarbeitung der Polymere(Extrusionsschnecken, Gehäuse) können an beson-ders beanspruchten Stellen auch Formteile ausHochleistungskeramik bzw. Sintermetallen Verwen-dung finden, die aus Nanopulvern hergestellt wer-den. Außerdem können Sensoren und Aktuatorendie Prozesssicherheit bei der Verarbeitung erhöhen.

Beschichten von Formteilenmit Nanolackenoder PVD/CVD

Oberflächenveredelte WerkzeugeBeschichtung mit Nanomaterialien:Antihaft/mechanischer Schutz

Keramische/metallischeWerkzeuge aus Nanopulvern

Prozessüberwachung/-steuerungdurch Sensoren/Aktuatoren

NT/Materialienfür die Produktion

Veredelung

Partikeleinarbeitung oderin-situ-Erzeugung

Herstellung Partikel oder Nanolacke

Partikel-disper-gierung

Produktion derNanomaterialien

V d l

Extrusion (Polymerschmelze) Spritzguss

Produktion

Folienherstellung

Halbzeuge

Abbildung 10:

Produktion von und mit

Nanomaterialien am Bei-

spiel der Herstellung und

Weiterverarbeitung von

polymeren Nanoverbund-

werkstoffen

15

Es wird erwartet, dass NT Einfluss auf fast alle Pro-duktions- und Industriebranchen haben werden.Bereits jetzt zeigt sich die Anwendungsbreite und -tiefe (siehe Abbildung 11): NT werden bereits inProdukten und Verfahren der Optik, im Automobil-bau, in der Medizintechnik, in Informations- undKommunikationstechnologie, in der Umwelttechnik,in chemischen Verfahren und der Energietechnikeingesetzt. Die Aktionslinie Hessen-Nanotech desHessischen Wirtschaftsministeriums hat im Rahmenihrer Schriftenreihe bereits zu einigen dieser Anwen-dungen, die für Hessen besonders wichtig sind, Bro-schüren herausgegeben, z. B.

a NT in der Umwelttechnik (Band 1), a NT in der Medizin (Band 2), a NT in der Automobiltechnik (Band 3), a Nano-Kommunikation (Band 4) sowie a NT in der Optik (Band 5)1.

Der Grad der Anwendung der NT in einzelnen Bran-chen ist unterschiedlich hoch (siehe Abbildung 12).In vielen Fällen besteht noch großer Forschungsbe-darf. Aufgrund des Querschnittscharakters der NTist aber zu erwarten, dass kontinuierlich neue

Erkenntnisse in vielen Branchen Anwendung finden können oder dort die Entwicklung beschleunigen.Befeuert wird dies auch durch die großen und zahl-reichen nationalen und europäischen / internationa-len Förderprogramme und die zunehmende Ent-wicklungstätigkeit in Unternehmen.

In verschiedenen Studien [Luther 2004, Heyer-Wevers 2005] wurde die Wichtigkeit der zukünftigenAnwendungsfelder der NT untersucht. Bei dem Ran-king zeigte sich, dass den Anwendungsfeldern Infor-mation und Kommunikation, Chemie / Werkstoffe /Verfahrenstechnik und Medizintechnik / Gesundheitdie höchste Zukunftsrelevanz zugebilligt wird. In die-sen Anwendungsfeldern sehen die Unternehmenoffensichtlich die besten Marktchancen in den nächs- ten Jahren. Vor allem der Bereich Werkstoffe / Ver-fahrenstechnik ist stark produktionsrelevant.

Die als besonders wichtig bewerteten Funktionalitä-ten der NT sind die Oberflächenfunktionalisierung,optische Effekte, verbesserte Werkstoffeigenschaf-ten, Analytik / Diagnose, Sensorik und nanobiologi-sche Funktionen, aber auch Schutzfunktionen (vorKorrosion, Schmutz etc.) und Fertigungsequipment.

1 Eine aktuelle Auflis-

tung der Bände gibt

es unter www.hessen-

nanotech.de. Dort

können auch die ein-

zelnen Bände herun-

tergeladen oder

bestellt werden.

2 OLED: Organische

Leuchtdiode, FED:

Feldemissionsdis-

play, GMR: Giant

Magnetic Resistance

Nanotechnologie

Produktion

Materialien

VerbraucherKosmetikSonnenschutzantimikrobielle TextilienVerpackungen

EnergieBatterien, SuperkondensatorenBrennstoff- und SolarzellenThermische KraftwerkeIR-Reflexionen/Verscheibung

Bauindustriesaubere Oberflächenschaltbare VerscheibungWärmedämmungKorrosionsschutz

Automobilkratzfeste DecklackeLeichtbau (Schäume, Polymere)KorrosionsschutzSensorenKatalyse (Verbrennung, Abgas)

OptikOphthalmikEntspiegelungPhotonikWellenleiteroptische SpeicherLichttechnik

Elektronik, IT, DruckElektronisches PapierDisplays (OLED, FED)PolymerelektronikSpeicher (GMR)SensorenBiochipsPassivierung

ChemieWirkstoffsucheSynthese/KatalyseSensorenProzessüberwachung

UmweltAbwasserreinigungPhotokatalyseUmweltüberwachung

Medizin/GesundheitDiagnostikTherapieWirkstoff-FreisetzungTissue Engineering

Abbildung 11:

Anwendungsmög-

lichkeiten der NT in

der Produktion und

in Produkten2

1.5 Nanotechnologien: Produkte und Branchen

16

Abbildung 12: Entwicklungsstand einzelner NT nach Anwendungs branchen

(Quelle: BMBF Nanoinitiative – Aktionsplan Nanotechnologie 2010, November 2006)

KonzeptPrototypMarkteintrittVerbreitung am Markt

0–5 Jahre

Korrosionsschutzschichten Nanomembranen zur Trinkwassergewinnung Künstliche Photosynthese

Optimierte Batterien/Akkus preiswerte großflächige Solarzellen Ressourcenschonende Produktiondurch Selbstorganisation

Verschleißschutz für mechanische Bauteile photokatalytische Luft- und Wasserreinigung

Abgaskatalysatoren Sensorische Umweltüberwachung Mikrobrennstoffzellen Nanosensor-Netzwerke

Selbstreinigende Fassadenelemente Schaltbare Glasfassaden Ultrastabile Leichtbau-Konstruktionsstoffe

umweltverträgliche Brandschutzmittel OLED-Beleuchtung

hocheffizienter Wärme- und Schallschutz funktionsoptimierte AsphaltmischungenSchmutzabweisende,antibakterielle Wandfarben keramische Folien als Wandbelag korrosionsbeständiger Hochleistungsbeton

Superisolierende Thermobekleidung Aktive Bewegungsunterstützung

Schmutzabweisende Textilien Kleidung mit integrierter Unterhaltungselektronik Überwachung von Körperfunktionen

Antibakterielle Wäsche ultraleichte SchutzwestenUV geschützte Fasern

Carbon Black Kohlenstoffnanoröhren selbstheilende WerkstoffeNano-Schichtsilikate

Polymerdispersionen Schaltbare Klebstoffe selbstorganisierende WerkstoffeDendrimere Ferrofluide

Mikronisierte Wirkstoffe Organische Halbleiter hocheffiziente WasserstoffspeicherAerogele

Nano-Kieselsäure Quantenpunkte künstliche SpinnenseideNanopigmente Nanoreaktoren

Easy-To-Clean-Schichten Polymere Nanokomposite

Reifenfüllstoffe Magnetoelektronische Sensoren Dünnfilmsolarzellen für Autodächer schaltbare Lacke

Nanobeschichtete Dieselinjektoren Nanokomposite als Leichtbauwerkstoffe adaptierbare Außenhaut

Antibeschlagschichten Polymerverscheibungen Ferrofluid-Stoßdämpfer

Antireflexschichten für Displays Nanopartikel als Kraftstoffzusatz

Kratzfeste Lacke Optimierte Brennstoffzellen Thermoelektrische Abwärmenutzung

Kohlenstoffnanoröhren-Feldemissionsdisplays

Festplatten mit GMR-Lesekopf „Millipede-Speicher“ Phase-Change-Speicher Spintronik DNA-Computing

Siliziumelektronik < 100 nm MolekularelektronikFerroelektrische Speicher

Polymerelektronik z.B. für Funketiketten Magnetoelektronische Speicher

Ultrapräzisionsoptiken EUV Lithographie-Optiken

Nahfeldoptiken für die Nanoanalytik Quantenpunktlaser

weiße LED Photonische Kristalle Optische Mikroskope mit Nanoauflösung All-Optical-Computing

Kratzfeste Brillengläser QuantenkryptografieOrganische Leuchtdioden (OLED)

Nanopartikel zum Wirkstofftransport Theranostics

Antimikrobielle Beschichtungen Nano-Krebstherapie (Hyperthermie) Neuro-Kopplung Molekulare Krebsfrüherkennung

Biosensoren Tissue EngineeringNanopartikel als Markerstoffe biokompatible Implantate

Nanoskalige Kontrastmittel Lab-on-a-chip-Systeme Intelligente Drug Delivery-Systeme

Umwelt/Energie

Bautechnik

Textil

Chemie

Automobil-bau

Elektronik

Optische Industrie

Medizin

5–10 Jahre 10 –15 Jahre

Duftimprägnierte Kleidung Aktive Wärmeregulierung

17

Der weltweite Markt für NT liegt 2006 bei über 100Mrd. Euro, wobei es eine große Streuung der Markt-zahlen aufgrund fehlender einheitlicher Definitionüber die Wertschöpfung durch NT gibt. Eine aktu-elle Aufteilung in die einzelnen Bereiche [Hilarius2006] zeigt Tabelle 3. Hier wird nochmals klar, dassdie klassischen Nanomaterialien (Ruße, Kieselsäurenetc.) bislang ca. 95 % des Marktes ausmachen.

Deutschland hat in Europa eine führende Rolle bei derindustriellen Umsetzung der NT [Luther 2004]. Diedeutschen und auch die hessischen Stärken liegen vorallem im Bereich der Chemie, Pharmazie und beiinnovativen Materialien. Die notwendige Diffusion derTechnologie in mittelständisch ge prägte Betriebesteht allerdings noch am Anfang. Bis zum Jahre 2015wird nach bisherigen Abschätzungen fast jede Indus-triebranche von NT-Anwendungen durchdrungensein. Da der Maschinenbau in Deutschland ebenfallszu den Leitbranchen gehört, liegt in der Kombinationvon NT mit Maschinenbau und Produktionstechnikeine große Chance und Hebelwirkung für die Zukunft.

In Deutschland sind ca. 550 Unternehmen im Bereichder NT tätig, in der EU insgesamt rund 1000. In Hes-sen sind nach Umfragen von 2004 und 2005 [Lentz2004, Rohde 2005] ca. 100 Unternehmen der NTzuzuordnen, wobei ähnlich der Ergebnisse fürDeutschland zwei Größencluster zu beobachten sind:

a Sehr große FuE-Unternehmen (Merck, Heraeus,Degussa etc.) inkl. deren Forschungsausgrün-dungen sowie

a Viele teilweise sehr kleine Spezialfirmen

In über 70 Arbeitsgruppen an Universitäten undFachhochschulen wird in Hessen in den NT undNanowissenschaften geforscht. Eine Übersicht zuden Akteuren der NT in Hessen findet sich unterwww.nanoportal-hessen.de/brancheninfo.

BEREICH MARKTGRÖSSE in Mrd. Euro (weltweit)

Ultradünne Schichten 57

Ultrapräzise Oberflächen-behandlung

31

Nanomaterialien undKomposite

30 (davon 1,5 nichtklassische,also neue Nanomaterialien,Verdoppelung innerhalb von5 Jahren prognostiziert)

Nanoanalytik 8

Strukturierte Oberflächen(Laterale Nanostrukturen)

4

Tabelle 3:

Märkte der NT in 2005 (Quelle: Hilarius 2006)

1.6 Entwicklungsstand der Nanotechnologien

18

Die Erwartungen sind groß, dass NT mittel- undlangfristig tief greifende Veränderungen für die Pro-duktion bringen werden. Mit der Frage, wie neueProduktionsverfahren zukünftig von den NT profi-tieren können, beschäftigen sich sowohl nationaleals auch europäische Projekte – z. B. werden Road-maps und Strategiekonzepte erstellt (z. B. Nano -manufacturing: www.nanomanufacturing.eu, Mikro- /Nano produktion: www.micronanomanufacturing.eu;Euro päische Technologieplattform „Manufuture“www.manufuture.org).

Die Anwendung von neuen nanotechnologischenOberflächeneigenschaften z. B. in Produktionsanlagen(vgl. Tabelle 2) bilden erst den Anfang für das großeund breite Einsatzspektrum der NT in der Produktion.Das Verständnis chemischer Stoffeigenschaften, bio-logischer Prinzipien und physikalischer Gesetze aufder Nanoskala eröffnet ganz neue Ansätze für Pro-duktion. Dies ermöglicht neue Aspekte der Material-und Produktentwicklung gegen über den bisherigenBetrachtungsweisen (siehe Abbildung 13).

Für das Design von nanoskaligen Strukturen undPartikeln stehen zwei prinzipielle Herangehenswei-sen bereit, die sich im Zugang zum nm-Bereich aufder Längenskala unterscheiden (siehe Abbildung 8):

a Der Top-Down-Ansatz („von oben nach unten“)repräsentiert vor allem die physikalische Vorge-hensweise: Ausgehend von der Mikrotechnikwerden Strukturen und Materialien weiter minia-turisiert. Zum Einsatz kommen Lithografie-Ver-fahren (z. B. in der Chip-Herstellung) sowie dieUltrapräzisionsbearbeitung (zur Erzeugung ultra-glatter Oberflächen) zur Herstellung definierternanoskaliger Strukturen. Nanoskalige Pulver kön-nen durch Hochenergiemahlprozesse ausge-hend von µm-großen Pulvern hergestellt werden.

a Der Bottom-Up-Ansatz („von unten nach oben“)wird durch chemische (Komplexchemie undSupramolekulare Chemie) und biologische (bio-logische Baupläne und Selbstorganisations-Effekte) Sichtweisen geprägt: Komplexe Struktu-ren werden aus den atomaren bzw. molekularenBausteinen durch gezielte Synthese, Selbstorga-nisations- und Positionierverfahren (Rasterson-denmikroskopie) aufgebaut. Ein Beispiel hierfürsind Verfahren der so genannten chemischenNT wie das Sol-Gel-Verfahren (Abbildung 14)zur Herstellung von Nanopulvern, Schichten,Fasern und Formkörpern.

2 Verfahren zur Herstellung von Nanomaterialien und -halbzeugen

Abbildung 13:

Neue Sicht der Material-

und Produktentwicklung

durch NT

Nanopartikel haben ein sehr großes Oberfläche-Volumen-Verhältnis, dadurch dominierenOberflächenatome sowie deren chemische,thermische oder magnetische Eigenschaften

Statt Miniaturisierung können Nanopartikel/ -strukturen durch Selbstorganisationsphänomeneaufgebaut und gesteuert werden, in Anlehnungan Mechanismen in der Natur

BisherigeBetrachtungsweise

Klassische Produktionen

Nano-ProduktionenNotwendige Änderungen undneue Sicht des Engineering

Festkörper-eigenschaften

Volumendominiert

EinfacheMiniaturisierung

Bindungs-eigenschaftenQuantenmechanik

Oberfläche dominiert

Synthese und atomare ManipulationKombination mit Selbst-organisationsprozessen

Nanopartikel verlieren ihre typischen Fest-körpereigenschaften und können eher als großesMolekül mit neuen elektronischen, chemischenund optischen Eigenschaften betrachtet werden

2.1 Neue Ansätze der Produktion

19

Prinzipiell werden sowohl Top-Down- alsauch Bottom-Up-Ansätze zur Bildung vonNanostrukturen eingesetzt, wobei dieindustrielle Umsetzung unterschiedlichweit fortgeschritten ist. Einige Verfahreneignen sich bisher nur für Laboranwen-dungen, an de re werden bereits seit Jahr-zehnten großtechnisch eingesetzt. ImFolgenden werden einige dieser Metho-den etwas näher vorgestellt.

Abbildung 14:

Sol-Gel-Verfahren:

Chemische NT als

Bottom-Up-Verfah-

ren zur Herstellung

von Gläsern, Kera-

miken und Hybrid-

polymeren (links)

sowie Ablauf-

schema mit einzel-

nen Prozesschritten

(rechts)

2.2 Herstellung von Nanomaterialien und -systemen

Nanostrukturen bzw. -partikel können durch unter-schiedlichste Verfahren wie chemische und physi-kalische Verfahren, Prozesse in der Gasphase oderin Flüssigkeiten oder durch Hochenergiemahlpro-zesse hergestellt werden. Im Folgenden sollen bei-spielhaft einige industriell relevante Herstellungs-prozesse kurz vorgestellt werden.

2.2.1 Nanostrukturen und Nanopartikel

Nanopartikel werden industriell oft über Gaspha sen/ Flammprozesse oder über Fällungsprozesse(z. B. pyrogene bzw. Fällungskieselsäuren) erzeugt.Tabelle 4 zeigt eine Übersicht zu Produktionsmengeund -wert verschiedener Stoffsysteme, die überFlamm synthesen erzeugt werden [DTI 2005].

Tabelle 4: Beispiele für Partikelsynthesen über

Flamm prozesse (Quelle: DTI 2005)

Der Gasphasensyntheseprozess von metallischen undoxidischen Nanopartikeln (Abbildung 15) geht vonfesten Ausgangsmaterialien aus, die durch starkesErhitzen (teilweise über Laserenergie) einen Dampfbilden, der aus einzelnen Atomen bzw. Molekülenbesteht. Wenn Verbindungen wie Oxide hergestelltwerden, wird ein reaktives Gas zugegeben und es bil-den sich molekulare Aggregate. Die so gebildetenPartikel müssen dann sehr schnell abgekühlt werden.

Das Furnace-Rußverfahren hat die größte Bedeu-tung bei der industriellen Rußproduktion. Es kom-men gasförmige und flüssige Kohlenwasserstoffezum Einsatz. Nach der Rußbildung bei hoher Tem-peratur in einem ausgemauerten Ofen (Furnace)wird die Prozessgasmischung mit eingedüstem Was-ser abgeschreckt („gequencht“), um Nachreaktionenzu verhindern.

Material Volumen (MegaT / Jahr)

Prozess, Precursor

Carbon Black (Ruße)

8 Flammreaktor, CxHy

TiO2 2 Flammreaktor, TiCl4

ZnO 0,6 Heißwandreaktor, Zn

SiO2 0,2 Flammreaktor, SiCl4

Abbildung 15:

Beispiel eines Gas-

phasensynthese-

prozesses für

Nanopartikel. Basis

sind feste Aus-

gangsmaterialien

(Quelle: Rödiger

2001)

Festes Ausgangs-material

AusbildungmolekularerAggregate

Bildung vonNanopartikeln

Starkes Erhitzen

Zugabe vonreaktivem Gas

Abkühlung vonDampf und Gas

Dampfbildung

1) flüssige, molekular disperse Vorstufen

Pulver Sol

Gelkörper

Schichten

Fasern

Formkörper

pm

nm

µm

mm

4) Trocknung/Härtung

5) Verdichtung, Sintern (Glas/Keramik)

3) Formgebung (Schichten, Fasern, …)

2) nanoskalige, verarbeit- bare Zwischenstufen (Sole/Harze)

Chemische Nanotechnologie

20

Moderne Formen des Kohlenstoffs: Kohlenstoffnanoröhren

Kohlenstoffnanoröhren (Carbon Nanotubes, CNT)haben seit ihrer Entdeckung vor ca. 15 Jahren ver-mehrte Aufmerksamkeit erfahren. Sie bilden sehrregel mäßige Graphitstrukturen aus, die in Form vonRöhren auftreten. Aufgrund ihrer außergewöhnlichenmechanischen und elektrischen Eigenschaften kön-nen sie z. B. als neue Füllstoffe eingesetzt werden. Bis-lang ist die Herstellung der Nanoröhren noch in denwenigsten Fällen mit hochskalierbaren Anlagen mög-lich und die Preise für die verschiedenen Typen (ein-wandig, mehrwandig etc.) sind relativ hoch.

Ein neuer Ansatz zur Herstellung von mehrwandigenCNT wird von der Firma Bayer Material Science ver-folgt (siehe Abbildung 16), der schließlich zu kg-Preisen von weniger als 50 Euro führen soll. Dieneue Prozesstechnik geht von der kontrollierten Zer-setzung von Kohlenwasserstoffen aus, die in einemFestbettreaktor im Gegenstrom an der Katalysator-oberfläche, mehrwandige CNT ausbilden. Die sogenannten Baytubes („Spaghettistrukturen“ sieheBild 16 rechts) können dann in Kunststoffe eingear-beitet werden.

In den Tabellen 5 und 6 sind verschiedene Herstel-lungsverfahren von Nanomaterialien zusammenge-stellt. Top-Down-Verfahren haben den prinzipiellenVorteil, dass von makroskopischen Materialien aus-gegangen werden kann, die über den Eintrag vonEnergie in Mikro- und Nanostrukturen überführt wer-den können. Dies hat in vielen Fällen Kostenvorteile,extrem kleine Nanostrukturen (<10 nm) sind damitjedoch kaum herstellbar.

H2

Katalysator =

Heizung

Baytubes® : Agglomeratevon Multi-Wall CNT

Kohlen-wasserstoffe

Abbildung 16:

Schematischer Aufbau

von mehrwandigen

Kohlenstoffnanoröhren

(MWNT, oben) und Fließ-

bettreaktor zur Herstel-

lung von MWNT (links)

(Quelle: www.baytubes.com

Krüger 2006)

21

Beim Elektrospinnverfahren wird eine Polymer lö-sung bzw. eine Polymerschmelze unter Anlegeneines elektrischen Feldes durch eine Kapillaregedrückt. Der ausgebildete Faden (langgezogenePolymerstränge) scheidet sich auf der Gegenelek-trode ab. Das Verfahren ist ein Top-Down-Ver fahren,da bei der Verstreckung üblicherweise keine Poly-merisationsreaktionen ablaufen.

Einen detaillierten Vergleich der Verfahren findetsich in [Steinfeldt 2004], eine Übersicht zu Herstell-verfahren von Nanopartikeln aus der Gasphase zeigt[Kruis 1998].

VERFAHREN CHARAKTERISTIKA VOR- /NACHTEILE, BEISPIELE

Lithographieprozesse Mikroelektronischer Prozess:Strukturierte Aushärtung kom-biniert mit Ätzprozessen

Mikroelektronik / Mikrooptik, Auflö-sung begrenzt durch verwendeteLichtwellenlänge, sehr hoher Aufwandbei Strukturen unterhalb 100 nm

Hochenergiemahlen Vermahlen von konventionellenPulvern, hoher Energieauf-wand, Aufskalierung möglich

Problem Verunreinigungen, oft fürMetallcarbide / silizide (Hartstoffe) verwendet

Extreme plastische Verformung

Walzprozesse Für Metalle angewandt, Beispiel Blattgoldherstellung

Entmischung von Gläsern Temperprozesse bei hohenTemperaturen

Für metallische Gläser und anorgani-sche Gläser / Glaskeramiken

Schmelzfaden-Technologie Verdüsen von Metallschmelzendurch Ultraschalldüsen,Abschre cken in einem Gas-strom, kostenintensive Anlagen

Nur für Metallpulver. Nanobereich nur schwer erreichbar

Kontrollierte Detonation Kontrollierte Explosion unterhohem Druck in spezieller Gas-atmosphäre

Nanodiamant, Metalle, Oxide, Hartstoffe etc.

Elektrospinnprozesse (siehe Abbildung 17)

Erste industrielle Anlagen vor-handen, Forschung meist anLaboranlagen

für Polymere

Elektrische Bogenentladung Schwierige Hochskalierung zur Herstellung von C-Nano-tubes,Fullerenen

Delaminieren vonTonen / Schichtsilikaten

Schichtstapel der Silikate wer-den durch starke Kräfte zusam-mengehalten und müssendurch Energieeintrag getrenntund durch Dispergatoren stabi-lisiert werden. Hoher Energie-bedarf für effektive Dispersion

zur Stabilisierung werden große Mengen Dispergatoren benötigt

Tabelle 5:

Herstellverfahren

für Nanostruktu-

ren / -partikel

über Top-Down-

Verfahren mit

Festkörpern als

Ausgangsmate-

rialien

Abbildung 17:

Elektrospinnverfah-

ren zur Herstellung

von Nanofasern aus

Polymeren

(Quelle: Greiner

2004, Placke 2005)

Polymerlösung

Kapillarspitze

Faserbildung

FasermatteSubstrat

Strom

Top-Down-Herstellverfahren

22

Tabelle 6:

Herstellverfahren für

Nanostrukturen/-parti-

kel über Bottom-Up-

Verfahren mit Flüssig-

keiten oder Gase als

Ausgangsmaterialien

VERFAHREN CHARAKTERISTIKA VOR- /NACHTEILE, BEISPIELE

Chemische Fällung kostengünstige Anlagen, bil-lige Ausgangsmaterialien, hoheAusbeuten, geringer Energie-aufwand

Teilchengrößeverteilung mit Schwächen unterhalb von 100 nm

Sol-Gel Anlagen kostengünstig, kleinePartikel mit enger Größenvertei-lung, aber oft nur kleine Mengen,in einigen Fällen hochskalierbar

Ausgangsmaterialien sind oft relativ teuer

Flammreaktoren

Pyrolyse (Verbrennung),Hydrolyse

hoher Durchsatz, hohe Rein-heit, mittlerer Energieaufwand

Großtechnisch für Ruße eingesetzt.Teilweise Aggregation nicht vermeid-bar, Probleme mit monodispersen Partikelverteilungen; Flammhydrolysefür SiO2 großtechnisch angewandt

Elektrochemische Abscheidung / Galvanik

kostengünstige Anlagen, billigeAusgangsstoffe, teilweise nicht-wässrige Lösungsmittel

Stofflich: Bei Partikeln beschränkt aufMetalle und Oxide. Elektroplattierenfür metallische Schichten ist im Einsatz

Mikroemulsionsverfahren gute Kontrolle über Partikel-größen, auch für Polymereangewandt

Schwächen bei sehr kleinen Partikelgrößen (< 50 nm)

Sprühtrocknung kostengünstig, billige Ausgangsstoffe

Partikelgröße wenig homogen und meist > 100 nm

Hydrothermalverfahren billige Ausgangsmaterialien,große Mengen möglich, aberrelativ teure Anlagen

eingeschränkte Stoffauswahl, meist für Oxide eingesetzt

Gasphasensynthese(siehe Abb. 15)

Ausgangsmaterialien sind Fest-körper, der Bildungsprozess derNanostrukturen geht aber vonvereinzelten Atomen / Molekülenaus, die sich kontrolliert zusam-menlagern

billige Ausgangsstoffe, großeMengen möglich, aber kosten-intensive Anlagen, Kosten stei-gen bei kleinen Partikeln

Metalle, Oxide, Nitride

Chemical Vapor DepositionCVD (teilweise mit Plasma -unterstützung)

hoher apparativer Aufwand,hohe Reinheitsanforderungen,geringer Mengendurchsatz

relativ teuer, wird z. B. für CNT bzw.Fullerene eingesetzt [Fink 2002]

Bottom-Up-Herstellverfahren

23

2.2.2 Herstellung von Schichten und Nanokompositen

Nanoschichtsysteme können aus der Gasphase undaus der flüssigen Phase auf Oberflächen aufgetragenwerden. Das Prinzip des PVD- bzw. CVD-Verfahrens(Physical Vapor Deposition bzw. Chemical Vapor De -position) zeigen die Abbildung 18 und Abbildung 19.

Bei der physikalischen Dampfphasenabscheidung(PVD) werden aus einem Target (Festkörper) durchEintrag von Energie (Ionen, Laser, …) Atome undIonen herausgelöst, die sich dann auf der Substrat-oberfläche als Schicht abscheiden.

Die chemische Dampfphasenabscheidung (CVD) ver-wendet Moleküle, die in einem Prozessgas dem Reak-tionsraum zugeführt werden und dort ebenfalls unterEintrag von Energie über chemische Reaktionen Par-tikel bzw. reaktive Moleküle ausbilden, die sich dannauf der Substratoberfläche niederschlagen.

Beide Verfahren erfordern entweder Vakuum- oderzumindest niedrige Gasdrücke, die maximale Sub-stratgröße ist daher begrenzt. Industriell werdendiese Verfahren z. B. zur Herstellung von entspiegel-ten Scheiben bzw. Wärmeschutzverglasungen schonseit langem eingesetzt. Mit beiden Verfahren gelingt

eine sehr gute Kontrolle der Schichthomogenität undZusammensetzung bis in Bereiche von unterhalb 1 nm Genauigkeit (Beispiel Röntgenspiegel).

Als nasschemisches Verfahren kommt das Sol-Gel-Verfahren zur Anwendung. Es können je nach Schicht- zusammensetzung dünne (ca. 100 nm Dicke) oderdickere Schichten (1–10 µm, nanoskalige Hybridpo-lymere mit in-situ-erzeugten Füllstoffen) erzeugtwerden. Hierfür sind keine so aufwendigen Anlagenwie bei der Herstellung von PVD / CVD-Schichtenerforderlich, allerdings sind viele der Sol-Gel-Lackenicht ohne organische Lösungsmittel anwendbar.Sol-Gel-Schichten werden als Korro sions schutzschichten für Metalle, transparente Kratzschutz-schichten für empfindliche Polymerober flächensowie als verschiedene andere Funktionsschichtenindustriell eingesetzt [Haas 2006].

Eine weitere Möglichkeit zur Beschichtung bietenNanolacke, bei denen durch die Zugabe von Nano-füllstoffen klassische organische Beschichtungenmodifiziert werden können [Farbe & Lack 2006]. Hierwerden neben einer Erhöhung der Kratzfestigkeitvor allem UV-Schutz / Absorption oder antibakte-rielle Ausrüstung (Einbau z. B. durch Silbernanopar-tikeln) angestrebt. Problematisch bei Nanolacken,kann die Dispergierung der Nanofüllstoffe sein, danur eine gelungene Verteilung der Nanopartikel imLack und später auch in der Beschichtung, diewesentlichen Vorteile z. B. der Transparenz derNanofüller zur Geltung bringt. Sol-Gel-Lacke wie z. B. Hybridpolymere zeigen dieses Problem nicht,da der Füllstoff dort hergestellt wird, wo ergebraucht wird, in der Matrix selbst. Sol-Gel- oderNanolacke lassen sich prinzipiell mit industrieüb li-chen Verfahren zur Nasslackierung (Sprühen, Tau-chen, Fluten etc.) verarbeiten und durch Tempera-tur oder UV-Strahlung aushärten. Eine Anpassungan die Substrate und die Härtungsbedingungen istjedoch in jedem Falle erforderlich.

Auch bei der Herstellung polymerbasierenderNano komposite spielt die Verteilung der Füllstoffein der polymeren Matrix eine entscheidende Rolle.Besonders wichtig ist dies beim Einsatz von Schicht-silikaten. So kommt z. B. der Delaminierung / Exfo-lierung von Schichtsilikaten (Aufteilung in einzelneSchichtstapel, siehe Tabelle 5) in polymeren Matri-ces eine wichtige Rolle zu. Nur wenn die Schichtsili-katplättchen einzeln in der Matrix vorliegen, könnendie gewünschten Funktionen wie z. B. Verbesserungder Barrierewirkung optimal sein. Dies erforderteine Oberflächenmodifizierung der Schichtsilikatesowie eine gute Vermischung mit dem Polymer z. B.während der Verarbeitung am Extruder.

Ionen,Elektronen,Laser, Arc, etc.

DepositionSchicht

Substrat

Target

Abbildung 18:

Prinzip des

PVD-Verfahrens

(Quelle: Steinfeldt

2004)

Energ

ie

Deposition

Prozessgas

SchichtSubstrat

Chem.Reaktionen

Abbildung 19:

Prinzip des

CVD-Verfahrens

(Quelle: Steinfeldt

2004)

24

Auch keramische und metallische Formkörper wiez. B. Sinterwerkstoffe oder Hartmetalle können ausNanopulvern hergestellt werden. Aufgrund ihrerhohen Reaktivität können diese Pulver jedoch nichtohne Weiteres wie klassische Pulver prozessiert wer-den (Wachstum der Nanokörner und damit Verlustder Nano-Eigenschaften), sondern erfordern denEinsatz von speziellen Temperverfahren (Rapid Ther-mal Annealing, Laser) sowie in einigen Fällen dieProzessierung unter Inertgas.

2.3 StrukturierungsmethodenEin klassisches Strukturierungsverfahren im Top-Down-Ansatz ist die Photolithographie, ein Kernele-ment der Mikroelektronik. Hierbei werden mit Pho-tolacken die gewünschten Strukturen unter Verwen-dung von Photomasken auf den Oberflächenerzeugt. Nach der Bestrahlung mit einer Lichtquelle,werden durch Herauslösen /Ätzen, die unerwünsch-ten Bestandteile entfernt. Die Auflösungsgrenzeliegt heute bei Strukturgrößen schon deutlich unter-halb von 100 nm, setzt aber einen hohen apparati-ven Aufwand voraus.

Eine Möglichkeit Nanostrukturen mit geringeremAufwand zu erzeugen, sind Prägeverfahren, die vomµm-Bereich bis in den Bereich unterhalb von 20 nmreichen (Nanoimprint, Abbildung 20). Dabei wirdeine Masterstruktur (erzeugt über aufwändige holo-graphische Methoden (also durch Überlagerung vonLaserstrahlen) verwendet, die in einem Stempelver-fahren die gewünschten Strukturen (Negativ) in vis-kos fließende Oberflächen oder Lacksysteme ein-prägen kann. Nachteilig bei diesem wie auch ande-ren Verfahren zur Strukturierung ist die Flächenbe-grenzung.

Methoden zur Strukturbildung im Bottom-Up-Ver -fahren basieren auf molekularen Selbstorganisati-onsprozessen. Bereits seit Jahrzehnten wird z. B. die Langmuir-Blodgett-Technik für die Herstellunghoch geordneter Schichtstrukturen eingesetzt (sieheAbbildung 21). Durch Druck auf die Moleküle ord-nen diese sich auf dem Substrat beim Herausziehendes Substrates regelmäßig an. Allerdings sind dieso hergestellten Strukturen mechanisch sehr emp-findlich.

Durch eine Anbindung von reaktiven Molekülen(meist mit –SH-Endgruppe) an einkristalline Silizium-oder Goldoberflächen können so genannte Self-assembled-Monolayers (SAM) erzeugt werden(Abbildung 22.). Die langen Molekülketten ordnensich selbständig regelmäßig auf der Oberfläche an,ähnlich wie bei Seifenblasen oder Micellstrukturen.

substrate

resist

mold

Press Mold

Remove Mold

Abbildung 20:

Nanoimprint-Verfahren

zur Strukturierung am

Beispiel PMMA

(Quelle: IWGN 1999)

Abbildung 21:

Langmuir-Blodgett-

Verfahren zur Herstellung

von hochgeordneten

Dünnschichten, Mono-

layern oder Schichten

organischer Moleküle.

(Quelle: www.fkp.physik.

tudarmstadt.de/stuehn/e

quipment/Bild28.png)

Luft

Wasser

25

Moderne Methoden nutzen auch chemisch funktio-nalisierte Spitzen eines Rastersondenmikroskopes,um Strukturen im Direktschreibeprozess (Dip-Pen-Nanolithografie (DPN)) zu erzeugen (siehe Abbil-dung 23). Auf der Spitze des Rastersondenmikro-skopes befinden sich die Moleküle, die nacheinan-der mit hoher Genauigkeit auf einer Oberflächeabgelegt werden können. Aufgrund der geringenRaum/Zeit-Ausbeute spielen diese Strukturbil-dungsprozesse für technische Anwendungen bis-lang noch keine Rolle.

Eine elegante Methode zur Strukturbildung nutztthermodynamische Entmischungsprozesse, so z. B.durch die Verwendung von Block-Copolymeren mitunterschiedlichen Polaritäten der jeweiligen BlöckeA und B (Abbildung 24). In diesem Beispiel stellt derBlock A den unpolaren und der Block B den polarenTeil dar. Die Wechselwirkung dieser unterschiedli-chen Gruppen führt zum gezielten Strukturaufbau,da sich z. B. polare Gruppen eher mit polaren Grup-pen zusammenlagern. Die Strukturen lassen sichdamit über die Auswahl der Monomere (A und B)und ihren Anteil im Blockcopolymer sehr definierteinstellen. So wird z. B. bei einem hohen Anteil vonA eine Matrix aus A gebildet, in welcher sich teil-chenförmige Anteile B befinden. Die Strukturen las-sen sich durch Verändern des Anteils B über Röhrenund Lamellen bis hin zur inversen Struktur (Matrix Bmit teilchenförmigen Strukturen von A) variieren.Nanostrukturen entstehen hierbei also durch Selbst-organisationsprozesse, die Triebkraft hierfür kanndurch die Strukturabfolge der Blöcke A bzw. B „che-misch programmiert“ werden.

Zur Strukturierung können auch Ionen- bzw. Elektro-nenstrahlen zum Einsatz kommen (siehe auch Gesell-schaft für Schwerionenforschung GSI Darmstadt).Damit sind sehr feine und homogene Strukturen her-stellbar. Für einen industriellen Einsatz spielen dieseMethoden bisher außerhalb der Mikroelektronik, -optik und der Nanoanalytik aufgrund des hohenapparativen Aufwandes jedoch fast keine Rolle.

Abbildung 22:

Selbstorganisierende

Schichten (Self-Assem-

bled Monolayers SAM)

mit zwei unterschied -

lichen Molekültypen

(Quelle: Max-Born-

Institut Berlin:

www.mbiberlin.de/

de/research/projects/

3-01/subprojects/

7_molswitch/sam_

small.jpg)

Abbildung 23:

Dip-Pen-Nanolitho-

graphie (Quelle:

Nanoink, Micro-

magazine 2006)

Abbildung 24:

Strukturbildungspro-

zesse bei Block -

copolymeren über

Selbstorganisation

unterschiedlich

polarer Polymerbe-

standteile (Quelle:

Laschewsky 2003)

AB-Block-Copolymerkette

Wachsender Anteil an Block A

Wachsender Anteil an Block B

A B

SH-Alkylverbindungen im Lösungsmittel bei Raumtemperatur

SH

GoldGold

24 Std.

Wasser-meniskus

Schreib-richtung

Substrat

Nano-muster

AFM-Spitze

26

Die meisten industriell eingesetzten Produktions-verfahren zur Herstellung von „klassischen“ Nano-materialien (Kieselsäuren, Ruße) unterscheiden sichwenig von der üblicherweise verwendeten chemi-schen Reaktionstechnik.

Neuere Verfahren (Laserunterstützte Abscheidungbzw. Verdampfung etc.) sind oft noch im Labor- oderTechnikumsmaßstab. Die Hochskalierung mit hoher

Raum- und Zeitausbeute bei gleichzeitig gut kon-trollierbarer Partikelgrößenverteilung stellt hier dasHauptproblem dar. Auch die Online-Prozesskon-trolle ist noch nicht vollständig entwickelt.

Völlig neuartige Anlagen sind für die hochauf lö- sende Manipulation von Oberflächen mit nm-Genau-igkeit oder von einzelnen Atomen / Molekülen nötig.Hier besteht der größte Entwicklungsbedarf.

Abtragrate [mm3/s]

Rau

heit

[nm

]

10-6

10-1

101

103

105

10-4 10-2 100 102

Konventionelles Schleifen

Feinpolieren(magnetfeldgestützt)

Feinstpolieren(div. Varianten)

Duktile Bearbeitung

ComputerkontrolliertesPolieren

ElektrolytischesPolieren

EinkorndiamantBearbeitung

Plasmaätzen

Ionenstrahl-ätzenChemisch-

mechanisches Polieren (CMP)

Abbildung 25:

Methoden der ultra-prä zisen

Oberflächenbearbeitung

(Quelle: Heyer-Wevers 2005)

Abbildung 26:

Planarisierung integrierter Schaltkreise mittels

chemisch-mechanischem Polieren (CMP) unter Einsatz

von Nanopartikeln (Quelle: Philipossian 2003)

DruckPolier-suspension

Polierkopf

Wafer Polierteller

Poliertuch

c

P

2.4 Anlagentechnik zur Produktion von Nanopartikeln und -strukturen

2.5 Oberflächenbearbeitung

Die ultrapräzise Oberflächenbearbeitung, bei dermakroskopische Flächen mit extrem präziser Formund Glätte hergestellt werden, ist ein weiteres gro-ßes Anwendungsgebiet für nanotechnologischeWerkzeuge. Oberflächen mit definierter Rauheitwerden für optische und elektronische Anwendun-gen benötigt.

Abbildung 25 zeigt verschiedene Ultrapräzisionsver-fahren für die Oberflächenbearbeitung zusammen mitder erzielbaren Rauigkeit und der möglichen Ab trags-rate. Die Darstellung zeigt, dass das konventionelleSchleifen zwar hohe Abtragraten erzielt, die dabei

erzielten Rauheiten aber im 10-100 μm Bereich liegen.Feinstpolieren wie das chemisch-mechanische Polie-ren (CMP) erreicht hingegen Rauheiten im nm-Bereich, allerdings bei deutlich kleineren Abtragra-ten. Solche ultraglatte Oberflächen mit Rauigkeitenim nm-Bereich werden u. a. in der Halbleiter-Ferti-gung benötigt. Diese werden z. B. durch CMP mitnanoskaligen Polierschlämmen erreicht. Dazu wirdeine Aufschlämmung von Nanopartikeln (Slurry) peri-odisch unter Druck über die Oberfläche bewegt. DerCMP-Prozess ist in Abbildung 26 dargestellt. Für dieOberflächenbearbeitung von Metallen z. B. spielt dasCMP jedoch bisher keine große Rolle.

27

2.6 Zusammenfassung

Tabelle 7 gibt einen Überblick für die einzelnen Verfahren.

Tabelle 7:

Übersicht: Verfahren zur Herstellung von Nano-Bausteinen

(Partikel / Fasern) bzw. Nanosystemen (Formkörper, Komposite,

Schichten) sowie Bewertung der Kosten, des Energieaufwandes

sowie der Anwendungsreife (+: gering, ++: mittel, +++: hoch)

VERFAHREN Nano-Partikel

Nano-Fasern

Form

körper

Nano-Komposit

Nano-Schichten

Kosten

Energieaufwand

Anw

endungsreife

TO

P-D

OW

N

Lithographieprozesse X ++ ++ +++

Hochenergiemahlen X +++ +++ +++

Extreme plastische Verformung X X +++ +++ ++

Elektrospinnprozesse X ++ + +

Elektrische Bogenentladung X X ++ ++ ++

Delaminieren von Tonen / Schichtsilikaten X X X ++ ++ +++

BO

TT

OM

-UP

Chemische Fällung X + + +++

Sol-Gel X X X X X ++ + ++

Flammreaktoren X ++ ++ +++

Elektrochemische Abscheidung / Galvanik X X X + ++ +++

Mikroemulsionsverfahren X + ++ +++

Sprühtrocknung X + +++ ++

Hydrothermalverfahren X ++ ++ +++

Gasphasensynthese z. B. Chemical Vapor Deposition CVD (teilweise mit Plasmaunterstützung)

X X +++ +++ ++

28

Die Herausforderung für die Produktionstechnik mitBlick auf die Nanotechnologien besteht darin, denklassischen Maschinenbau mit den neueren Verfah-ren der Mikrosystemtechnik zusammenzuführen.Dann kann der nächste Dimensionssprung von„mikro“ zu „nano“ erreicht und neue Verfahren derPräzisionsfertigung und der Mikrostrukturtechnikeingesetzt werden, die die Herausforderungen imnm-Bereich hinsichtlich z. B. Herstellbarkeit undQualitätssicherung beherrschen [Luther 2004].

3.1 NachweismethodenNeben geeigneten Herstellungsverfahren für Nano -partikel und -strukturen sind Verfahren notwendig,um solche Materialien analysieren zu können und sodie Qualität zu überwachen. Die Analyse und Detek-tion von Nanostrukturen ist eine der zentralen Auf-gaben der Nanowissenschaften und Grundlage fürdie NT. Tabelle 8 zeigt eine Übersicht verschiedenerVerfahren zur Analyse von Nanostrukturen [Rom2005].

3 Handhabung und Analytik von Nanotechnologien

Tabelle 8:

Nanoanalytik-

verfahren (Auswahl)

UntersUchUngsobjekt Verfahren

Analytik 3-D-Strukturen und Festkörper

Bestimmung der kristallinen Struktur von Festkörpern Röntgenweitwinkelstreuung (WAXS)

Bestimmung von dreidimensionalen Strukturen Nuklear Magnet Resonanz (Kernresonanz)

Analyse der Struktur nanometergroßer Bereichevon Festkörpern (Dicke max. einige 100 nm)

Transmissionselektronenspektroskopie (TEM)

Analytik der Oberfläche

Abbildung der Probenoberfläche Rasterelektronen-Mikroskopie (REM)

Darstellung von Strukturen (Probe sollte nurwenige Nanometer dick sein), deren Dimensionenunterhalb von 1 nm liegen

Hochauflösungs-TEM (Transmission)(High Resolution TEM, HRTEM)

Analyse von atomar geordneten Substraten und Schichten (im Bereich von 1 nm)

Elektronenbeugung an Oberflächen (LEED)

Beurteilung der Dickenhomogenität und derErkundung eventueller struktureller Defekte

Rastertunnel-, Rasterkraftmikroskopie (STM, AFM)

Bestimmung der Schichtdicke von zweidimensionalen Nanostrukturen

Röntgenreflektivität (XRR)

Bestimmung der atomaren Konzentration der an einer Oberfläche vorliegenden Elemente

Röntgen- und Ultraviolett-Photoelektronen-spektroskopie (XPS und UPS, ESCA)

Analytik der chemischen Zusammensetzung

Analyse der chemischen Zusammensetzung von Festkörpern

Elektronenenergieverlustspektroskopie (EELS),energiedispersive Röntgenspektrometrie (EDXS)(in Kombination mit REM, TEM)

Bestimmung der Verteilung chemischer Elementeund chemischer Phasen in einer Probe mit hoherlateraler Auflösung

Energiefilterungs-Transmissions-elektronenmikroskopie (EFTEM)

29

UntersUchUngsobjekt Verfahren

Analytik von Partikelgrößenverteilung

Partikelgrößenbestimmung von Nanopartikeln in kolloidaler Lösung

Dynamische Lichtstreuung (DLS)

Nanopartikel – Größenverteilung in verdünntenkolloidalen Systemen, Bestimmung der Porosität(innere Oberfläche pro Volumen)

Röntgenkleinwinkelstreuung (SAXS)

Charakterisierung der Struktur kristalliner Stoffe,Partikelgrößenbestimmung von anorganischenNanopulvern

Pulverdiffraktion (XRD)

Analytik mechanischer Parameter

Bestimmung von Härte und elastischem Modulvon Oberflächen mit Auflösung im Nanometer-Bereich

Nanoindentierung

Bestimmung mechanischer Größeneffektein dünnen Schichten

Thermo-mechanische Charakterisierung dünner Schichten

Analytik magnetischer und elektrischer Effekte

Untersuchung von Oberflächenphänomenen, die sich von der elektronischen Struktur über dieOberflächenchemie bis hin zum Magnetismuserstrecken

Photoemissions-Elektronenmikroskopie (PEEM)

Zerstörungsfreie Untersuchung der lokalenElektronendichte und chemischer Natur von Festkörpern auf atomarem Niveau

Positronenannihilation

Analytik von Bindungseigenschaften

Informationen über Molekülbindungen Schwingungsspektroskopie (IR- und Raman)

Untersuchung komplexer Nanostrukturen und Verbundmaterialien

Synchrotronstrahlung

Untersuchung von kinetischen und energetischenParametern, die die Wechselwirkung zwischenGasen und Oberflächen bestimmen

Thermische Desorptions-Spektroskopie (TDS)

Analytik des elektrischen Potenzials

Bestimmung des elektrischen Potenzials an derGrenzfläche einer (meist) festen Phase und einerFlüssigkeit: Stabilität von Nanopartikeldispersionen

Zeta-Potenzial-Messung

Brechungsindexbestimmung

optisches Messverfahren zur berührungslosenBestimmung von optischen Konstanten (Brechungsindex und Extinktionskoeffizient) Schichtdicken von Dünnschichten und Dünn- schicht systemen

Ellipsometrie

30

In Kürze wird ein hessischer Kompetenz- und Infra-strukturatlas von der Aktionslinie Hessen-Nanotechherausgegeben werden, der Ansprechpartner fürdie einzelnen Analyseverfahren nennt.

Ein sehr wichtiges Beispiel für ein Analyseinstrumentist das Atomic-Force / Tunneling-Mikroskop (AFM,STM, siehe Abbildung 28). Solche Verfahren dienenaber vermehrt nicht nur der Analyse, vielmehr kom-men sie in der Forschung auch zum Einsatz bei derHerstellung und Manipulation von nanoskaligenStrukturen. Ob solche Methoden allerdings im Rah-men der Produktion zur Überwachung, Prüfung,Bearbeitung- und Manipulation von Nanopartikelnund Strukturen Anwendung finden werden, ist eherfraglich. Sind doch die mikroskopischen Verfahrensehr teuer und ihre online-Integration in Produkti-onsprozesse gegenwärtig sehr schwierig. Allerdingssind die mikroskopischen Nachweismethoden fürdie Qualitätssicherung, besonders für den Nachweisder Nanoskaligkeit, von großer Bedeutung.

Auch Sensorsysteme und Lab-on-Chip-Systeme diedurch NT verbessert oder erst ermöglicht werden,kommen zum Einsatz: Miniaturisierte Mikrosensorenwie die MEMS (Mikro-elektro-mechanische Systeme)als mechanische Sensoren oder GMR-Magnetfeld-Sensoren (Giant Magneto Resistance Effekt) für dieBestimmung von Position, Winkel, Beschleunigungo. ä. werden erforscht oder bereits angewandt. Ther-molabel zur Temperaturkontrolle oder Chemosen-soren für die Detektion von Gas, Feuchte oder pH-Wert sind in der Produktion für Fragen der Überwa-chung, Qualitätssicherung und Arbeitsplatzsicher-heit von großer Bedeutung. Lab-on-Chip-Systemeoder Bio-(Gen)-Chips zur Detektion und Analyse bio-logischer Systeme sind auch für produktionstechni-sche Fragestellungen in der Lebensmittelindustrierelevant, z. B. für Überwachung und Qualitätssiche-rung, aber auch zum Nachweis und zur Identifikationvon Mikroorganismen. In der Broschüre „Nanome-dizin“ (Band 2) der Aktionslinie „Hessen-Nanotech“des Hessischen Ministeriums für Wirtschaft, Verkehrund Landesentwicklung werden detailliert bisherigeAnwendungen solcher Lab-on-Chip-Systeme in derMedizin dargestellt.

3.1.1 Rastertunnelmikroskopie (Scanning Tunneling Microscope, STM)

Das Rastertunnelmikroskop dient der Abbildungatomarer Strukturen auf ebenen Oberflächen. Durchdieses Verfahren gelang es 1981, solche Strukturensichtbar zu machen und damit einen direkten Blick inden Nanobereich zu werfen. Grundlage der Raster-tunnelmikroskopie ist die Ausnutzung eines quan-tenmechanischen Effekts: So gehen bereits Elektro-nen von einer Oberfläche zu einer darüber gleiten-den Spitze über („tunneln“), bevor ein Kontakt-schluss erfolgt. Dieses Tunneln ist abstandsabhän-gig, der Strom durch Elektronentransport kanngemessen werden und ist so ein Maß für denAbstand zwischen Spitze und der Oberfläche bzw.deren Geometrie. Auch hier wird wie bei der Ras-terkraftmikroskopie durch zeilenweises Abfahrender Oberfläche ein topographisches Bild der Ober-flächenstruktur erstellt. Abbildung 28 zeigt die Funk-tionsweise des Rastertunnelmikroskops.

Nahfeldoptik

Rasterkraftmikroskop

Rasterelektronenmikroskop

Lichtstreuung

0,1 nm 1 nm 10 nm 100 nm 1 µm 10 µm 1 mm 10 mm100 µm

Streumethoden (Elektronen und Röntgen)

Transmissionselektronenmikroskop

Optisches Mikroskop

Atome Transistor Haar

|

zy

xPiezo-Elemente

RTM-Spitze

Tunnelstrom

Probenoberflächee-e-

Abbildung 27:

Auflösungsvermögen

von Nachweismethoden

(www.ex.physik.uni-

ulm.de/ vortraege/

stgallen2002/nanotech-

nologie2002–06–10/

ppframe.htm)

Abbildung 28:

Funktionsweise des

Rastertunnelmikroskops

für leitende Proben

[Grüne 2003]

31

3.1.2 Rasterkraftmikroskopie Atomic Force Microscopy, AFM)

Die Rasterkraftmikroskopie (engl. Atomic ForceMicroscopy, AFM) ist ein Verfahren zur Untersu-chung von Oberflächen durch mechanische Abtas-tung, das 1986 von Gerd Binnig, Calvin Quate undChristoph Gerber entwickelt wurde. Die Wechsel-wirkung zwischen einer Oberfläche und einer Spitze(Spitzenradius im Bereich 10 bis 20 nm) führt zurAblenkung eines Biegebalkens (cantilever), dessenÄnderung der Ausrichtung kapazitiv, piezoelektrischoder optisch aufgenommen wird und so die Ober-flächenstruktur wiedergibt. Durch zeilenweisesAbtasten können so Oberflächenstrukturen imBereich 0,1 bis 10 nm aufgelöst werden. Die Raster-kraftmikroskopie gehört gemeinsam mit dem Ras-tertunnelmikroskop zu den besten Verfahren zurAuflösung nanoskaliger Strukturen.

Die Rasterkraftmikroskopie wurde in zwei Richtun-gen weiterentwickelt: Zum einen werden mittler-weile auch andere Feld-Wechselwirkungen genutzt,bspw. die Magnetkraftmikroskopie (Magnetic ForceMicroscope, MFM), um magnetische Oberflächen-strukturen messen zu können, das elektrostatischeKraftmikroskop (Electrostatic Force Microscope,EFM) zur Analyse elektrostatischer Potenzialvertei-lungen an Oberflächen oder das Lateralkraft-Mikro-skop (Lateral Force Microscope, LFM) zur Messungvon Lateralkräften bei tribologischen Fragestellun-gen (Belastungen quer zur Oberfläche). Zum ande-ren werden Spitzen mit Funktionen ausgestattet, z. B. als elektrisch leitfähige Kohlenstoffnanoröhren,um so Einzel-Elektronentransfers (Elektronikanwen-dungen) durchführen zu können [Grüne 2003]. Diefolgende Abbildung 29 zeigt ein Prinzipbild des Ras-terkraftmikroskops.

3.2 ManipulationNeben der Detektion atomarer Strukturen kommtder Manipulation dieser Strukturen eine ebensogroße Bedeutung in den NT bzw. den Nanowissen-schaften zu. Die nanometergenaue Positionierungund Kontrolle ist in manchen Bereichen, so derMikroelektronik und -systemtechnik, Voraussetzungfür die Herstellung atomarer Strukturen und Systeme[Luther 2004]. Zum Einsatz kommt bspw. das Ras-tertunnel- bwz. Rasterkraftmikroskop.

Atomare Manipulationsverfahren wie AFM sindgegenwärtig allerdings noch nicht für den groß -industriellen Einsatz relevant, die Anforderungen anDurchsatzkapazität oder die Qualitätskontrolle ste hendiesem bisher entgegen. Allerdings sind mittel- undlangfristig neue Ansätze für die Produktion denkbar,z. B. Nanomanipulationstechniken für biologischeStrukturen und Objekte bei der Untersuchung bio-logischer Fragestellungen (siehe Ta belle 9). Ein Zielist deshalb auch, Selbstorganisa tions prozesse undBottom-Up-Ansätze zu nutzen, um entsprechendeStrukturen und Oberflächen herzustellen (sieheAbbildung 22 und Abbildung 24). Verständlicher-weise haben die Herstellungs-, Strukturierung undManipulationsverfahren von atomaren Strukturenund Oberflächen eine große Hebelwirkung für vieleAnwendungsgebiete (wie Elektronik- und Informati-onstechnik, Optik, Umwelttechnik, Chemie und Bio-technologie), weil dadurch der Bottom-Up Ansatzper excellence realisiert werden kann. An vielen Ver-fahren wird derzeit jedoch noch geforscht.

Abbildung 29:

Prinzipbild eines Raster-

kraftmikroskops (Proben-

oberfläche gerastert)

(Quelle: Uni-München)

Bildinformation

Blattfeder

yz

x

Regelung

Probe

Lichtzeiger

Auslenkung der Blattfeder† Auflagenkraft, Reibung

Raster-einheit

32

Einsatzmöglichkeiten der NT in der Produktion eröff-nen sich gleichermaßen für die prozessorientierte Pro-duktion und für Fertigungsverfahren.

Die Haupteinsatzgebiete der NT ergeben sich vorallem dort, wo:

a feste, flüssige oder gasförmige Stoffe und Materialien bewegt, verarbeitet oder gelagertwerden, und

a Ober- und Grenzflächen einer hoher Beanspru-chung ausgesetzt sind (z. B. beim Formen),ihnen eine besondere Bauteilfunktion zukommt(z. B. beim Fügen und Beschichten) oder einebestimmte Struktur oder Glätte gefordert ist (z. B. beim Schleifen).

Abbildung 30 zeigt die Schnittstellen zwischen derProduktion und NT, die auf mögliche Anwendungs-felder und Innovationspotenziale hinweisen.

a NT unterstützen verschiedene Aufgaben undTätigkeiten der prozessorientierten Produktionwie die Produktionstechnik (chemische, physika-lische, biologische, thermische Verfahrenstech-nik, Membrantechnik oder Fertigungsverfahrenwie Formen, Fügen, Beschichten, Schleifen),Logistik und Materialwirtschaft, die Arbeits- und Qualitätssicherheit, Produktionsmittel undInstandhaltung,

a mit dem Ziel, Kosten und Zeit zu sparen, dieQualität zu verbessern, sowie die Umwelt zuschonen und damit die Effizienz der Prozesse,die Langlebigkeit von Bauteilen und die Sicher-heit des Betriebs zu erhöhen;

a im Fokus stehen die Material- und Grenzflächen -eigenschaften, d. h. die Handhabung, Nutzungoder Bearbeitung von unterschiedlichen Aggre-gatzuständen, von Grenzflächen mit gezieltenoder unerwünschten Wechsel wirkungen, vonSchichtsystemen und präzisen Oberflächen-strukturen oder der Eigenschaften von Effekt -trägern und Werkstücken.

Aktuell spielen die Chemie und die Materialien eineHauptrolle bei den NT in der Produktion, es gibt nurwenig Aktivitäten / Patente im Bereich des „klassischen“Maschinen- und Anlagenbaus [Heyer-Wevers 2005].

Dies wird durch den Zeithorizont für die industriellenAnwendungen der NT in Tabelle 9 deutlich. Die Pro-duktion von Nanomaterialien geschieht bisher vor-wiegend auf konventionellen Maschinen.

Tabelle 9: Zeithorizont für NT-Anwendung im industriellen Kontext

ZEITHORIZONT

NT für Maschinen bzw. Bauteile

Aktuell bis mittelfristig (0–3 Jahre)

Maschinen für NT Mittelfristig (3–5 Jahre)

Nanomaschinen(molekulare Getriebe etc.)

Langfristig(mehr als 5 Jahre)

4 Anwendungen und Chancen der Nanotechnologien in der Produktion

Unter „prozessorientierter Produktion“ werden hier ver-fahrenstechnische Produktionsprozesse zusammenge-fasst, in denen Stoffe und Halbzeuge in ihrer Art, Eigen-schaft und Zusammensetzung verändert werden. DerGüterausstoß wird mengen- oder volumenorientiertgemessen. Fertigungsverfahren sind Verfahren zur Her-stellung von geometrisch bestimmten festen Körpern.Hierzu gehört z. B. das Ur- und Umformen, Fügen, Schlei-fen oder Beschichten von Teilen.

33

NT-Aspekte für Maschinen können wie folgt eingeteilt werden:

Funktionalisierte Oberflächen und dünne Schichten,die auf nanoskaligen Materialien basieren, werdenindustriell schon häufig genutzt. Nanopartikel wer-den als Pulver in Lacken oder Dispersionen einge-arbeitet oder in-situ im Beschichtungslack erzeugt.Klassische Beispiele für die Anwendung von Nano-pulvern sind Autoreifen (Ruße, Silicate), Tinten oderPigmente. Anorganische Nanopartikel erhöhen bei-spielsweise die Kratzfestigkeit von Schichten aufPolymeren, ohne dass Lichtstreuung auftritt. Ober-flächenfunktionalisierung führt zu schmutzabwei-senden Oberflächen, zu katalytisch aktiven Syste-men (Photokatalyse) oder durch den Einbau von bio-logisch aktiven Nanopartikeln zu antibakteriell wirk-samen Schichten. Strukturierte Oberflächen verbes-sern die Schmutzabweisung (Lotuseffekt). Auch imBereich des Korrosions- und Brandschutzes sowieder transparenten Feuchte- / Gasbarriere werdenNanoschichten bzw. Nanopartikel eingesetzt.

BEISPIELE

Materialien

• Schutzbeschichtungen• Funktionsbeschichtungen /

-materialien• Konstruktionswerkstoffe• Schmier- und Trennstoffe• Klebe-/Fügetechniken

Ultrapräzision

• Messstandards• Neue Messverfahren• Oberflächenbearbeitung

(Polieren, Strukturieren etc.)• Positionierung• Nanofabrikationsmethoden

(Lithographie, Imprint)

Analytik, Prozess-über wachung

• Nanoanalytische Systeme• Beleuchtung, Displays (OLED)• Abstands- u. Drehratesensoren,

chemische Sensoren

Produktion

Unterstützung der Aufgaben und Tätigkeiten der Produktion durch NT

Unterstützung der Ziele der Produktion durch NT

Anwendung der NT für Material- und Oberflächen-eigenschaften

Aufgaben + Tätigkeiten– Produktionsmittel

Maschinen, Betriebsstoffe, Mess- und Prüfmittel, ...– Qualitäts- und Arbeitssicherheit MSR-Technik, Arsi; Überwachung– Produktionstechnik Verfahrentechnik, Fertigungsverfahren– Instandhaltung Überwachung – Produktionslogistik Materialwirtschaft

Ziele– Nachhaltigkeit– Sicherheit– Qualität– Effizienz– Zeit– Langlebigkeit– Kosten

Materialeigenschaften– Aggregatzustände

fest /flüssig/gasförmig– Grenzflächen

und ihre Wechselwirkungen– Schichtsysteme und Strukturen

von Oberflächen– Wechselwirkung zwischen Materialien– Eigenschaften von Effektträger und Werkstücke

ProzessorientierteProduktion und

Fertigung

Abbildung 30:

Schnittstellen zwischen

Produktion und NT:

Aufgaben, Ziele und

Materialeigenschaften

34

Im Folgenden werden Eigenschaften von Nanoma-terialien und -Systemen vorgestellt, die einzelne Auf-gaben und Verfahren in der Produktion unterstützenmit dem Ziel, Kosten und Zeit zu sparen und Leis-tungsfähigkeit zu erhöhen. Es sind dabei besonderssolche Nano-Eigenschaften relevant, die Material ei-genschaften und Grenzflächenfragen zum Gegen-stand haben.

In den Kapiteln 4.2 bis 4.4 werden neue oder ver-besserte Oberflächeneigenschaften vorgestellt.Dabei handelt es sich z. B. um (siehe Abbildung 31):

a neue nm-dicke Schichtsysteme,a klassische organische Lacke mit

neuen Funktionen durch Nanopartikeln,a neue anorganisch-organische

Hybridpolymere odera Beschichtungen mit nanoskaligen

Strukturierungen.

Generell nehmen Preis und Funktionalität dabei zu.Eine Ausnahme sind die Beschichtungen durchPVD / CVD, deren nm-dünne bzw. Schichten mitNanopartikeln deutlich teurer sind.

Prinzipiell sollen durch den Einsatz von Nanosyste-men und -materialien im industriellen Umfeld Pro-zesse schneller, zuverlässiger, günstiger und mitweniger Materialeinsatz gestaltet werden. Dabei istzu berücksichtigen, dass einige Eigenschaften wieder Lotus-Effekt bisher für Anwendungen in der Pro-duktion eher nicht geeignet sind, da Anforderungenan die Beständigkeit und Stabilität bei entsprechen-den Beanspruchungen gestellt werden, die dieseSchichten nicht erfüllen können. So führt die Zerstö-rung einer nanoskaligen Strukturierung zum Verlustder Funktionalität, oftmals kann aber eine solcheStruktur nicht nachträglich, werkstattmäßig nach-appliziert oder repariert werden. Die aus dem Con-

sumer-Bereich bekannten Produkte zur „Easy-to-clean“-Beschichtung von Oberflächen sind dahernicht für den Produktionsprozess geeignet. Hierzumuss die Anwendung im produzierenden Umfeldspezifisch analysiert, bewertet und angepasst wer-den. Die Formulierung des Beschichtungsmittelsmuss eventuell speziell auf die Anwendung abge-stimmt und eine Vor- oder Nachbehandlung durch-geführt werden, um die gewünschte Funktion undHaltbarkeit zu erreichen.

Die folgenden Beispiele behandeln die wesent -lichen Zieleigenschaften von Materialien und Grenz-flächen in der Produktion:

a Saubere Oberflächen und leichte Reinhaltungdurch passiv und aktiv funktionalisierte Ober-flächen (Kap. 4.2) sowie chemisch aktive Ober-flächenbeschichtungen gegen Geruch (Kap. 4.4.5)

a Ressourcenschonung und Umweltschutz durchOberflächenfunktionen (Kap. 4.3)

a thermische Schutzschichten, reibungsminimie-rende Schichten (Kap. 4.3.3 und 4.3.2)

a Erhöhung der Betriebssicherheit durch Schutzschichten gegen elektrostatische odermagnetische Felder (Kap. 4.4.1 und 4.4.2) sowie Brandschutz (Kap. 4.4.6)

a Wärme- und SchallisolierendeSchichten (Kap. 4.4.7)

a Antireflex- und Anti-Beschlag-Beschichtungen (Kap. 4.4.3 und 4.4.4)

a Erhöhung der Dichtigkeit (Kap. 4.4.8)a Verbesserung der Qualität und

Qualitätssicherung (Kap. 4.5)a innovative oder optimierte

Prozesstechnik (Kap. 4.6)a visionärer Ausblick auf

Mikrobauteile / -maschinen (Kap. 4.7)

4.1 Übersicht über Nano-Eigenschaften für Produktionsprozesse

Abbildung 31:

Ansätze für die

Ober flächen-

beschichtungen

mit NT

Preis, Funktionalität

Substrat

nm-Dicke

Beschichtung

Herkömmlicher

Lack mit Nanopartikeln Hybridpolymer

Nanoskalige

Strukturierung

35

Die Sauberkeit bzw. Reinhaltung von Oberflächen hatfür viele industrielle Prozesse eine hohe Bedeutung.Neben optischen und hygienischen Aspekten spie-len Prozesssicherheit und die Reduzierung des Reini-gungsaufwandes sowie insgesamt damit verbundeneKosten- und Zeiteinspareffekte eine wichtige Rolle.

Um die Sauberkeit zu erhalten, können verschiedeneVerfahren eingesetzt werden, die durch NT verbes-sert oder sogar erst ermöglicht werden. Wie in ande-ren Fällen auch, stehen NT-Lösungen dabei immerin Konkurrenz zu etablierten kostenoptimierten Ver-fahren. NT können die Effekte verbessern oder län-ger haltbar machen, eine vollständige Verhinderungunerwünschter Oberflächenbelegung unter praxis-relevanten Bedingungen ist jedoch auch mit NTkaum zu erreichen.

Die in der Folge vorgestellten Beispiele beziehensich auf die industrielle Veredelung von Oberflächendurch technische Verfahren, do-it-yourself-Ver fahrenzur Oberflächenveredelung werden nicht berück-sichtigt, da diese erfahrungsgemäß für industrielleBedingungen ungeeignet sind.

4.2.1 Passive Schichten mit niedriger Oberflächen -energie zur Oberflächenreinhaltung

Passive Schichten haben Oberflächen mit einerniedrigen Energie, d. h. die Wechselwirkung mitanderen Stoffen (Flüssigkeiten, „Schmutz“) ist gene-rell gering. Diese Oberflächen werden als Easy-to-Clean, Antihaft- oder auch Antifingerprintoberflä-chen (Fingerabdrücke hinterlassen weniger „opti-sche“ Spuren) bezeichnet. Die Oberflächen könnenmit einer Schicht niedriger Oberflächenenergie ver-sehen werden und sind in einigen Fällen in Kombi-nation mit einer Einebnungsschicht für die Reduzie-rung der Verschmutzungsanfälligkeit im Einsatz. DieAbbildung 32 zeigt beispielhaft eine farbabwei-sende nanoskalige Sol-Gel-Schicht als Beschichtungfür Farbwalzen. Die Schicht ist oleophob (ölabwei-send) und gleichzeitig einebnend (planarisierend).

Ziel / Nutzen

Antihaftschichten: Glasscheiben mit schmutz abweisender

Beschichtung (links); auf superhydrophoben Beschichtungen

auf Metall scheint Wasser zu schweben, Quelle: Firma De Cie

(Hessen-Nanotech NEWS 2/2006)

Durch saubere Oberflächen werden Prozesse siche-rer, Produkte optisch ansprechender und der Reini-gungsaufwand reduziert, Funktionseigenschaftenwie z. B. ein guter Wärmedurchgang (Wärmetau-scher) können über längere Zeit erhalten werden

Technische Grundlagen

Eine niedrige Oberflächenenergie wird schon durchsehr dünne Schichten (< 2nm) erzielt, die chemi-schen Gruppen für niedrige Oberflächenenergiesind unpolar (Alkylgruppen) und teilweise fluoriert.Zur Stabilisierung werden oft Nanopartikel in Lackeeingebaut oder Hybridpolymere eingesetzt

Anwendungsmöglichkeiten

Auf nahezu allen Oberflächen möglich

Speziell in der Produktion

Formenbau, Trennmittel, Einhausungen, Umgangmit Flüssigkeiten in Tanks und Leitungssystemen,für Wärmetauscher und Klimaanlagen; Druckwal-zen (siehe Abbildung 34)

Einschränkungen

Langzeithaltbarkeit unter starker mechanischerBelastung ist nicht in allen Fällen möglich, allerdingssind Nanoschichten im Vergleich mit konventionel-len Schichten (Teflon) meist deutlich besser

Beispiel für Umsetzung: Anbieter und Anwender

Firma Rittal (RiNano): Verbesserung der Effektivitätvon Wärmeaustauschern, Antifingerprint für elek-trische Schaltschränke

MAN Roland (Offenbach): Hybridpolymere Anti-haftschichten für Druckwalzen Patent DE 4442235

4.2 Ziel „Saubere Oberflächen, leichte Reinhaltung“

Antibakteriell / Mikrobizid

Ziel / Nutzen

Antimikrobiell ausgerüstete Polymerfolien (Innenteil beschichet,

Rand unbeschichtet) Quelle: Fraunhofer-ISC

Zur Verhinderung des bakteriellen bzw. mikro-biellen Bewuchses von Oberflächen, zur verbes-serten Hygiene und Arbeitssicherheit


Als wirksame Komponenten mit hohen spezifischenOberflächen werden Nanopartikel wie Silber, TiO2,ZnO oder Polymere eingesetzt. Durch die erhöhteOberfläche ist die Wirksamkeit verstärkt, d. h. mitrelativ wenig Zusatz wird viel erreicht.

Wirkprinzipien: Antimikrobiell wirksame Ober-flächen lassen sich nach zwei Prinzipien erzeugen,die das Ansiedeln und das Aufwachsen von Mikro-organismen wie Bakterien oder Pilze verhindern:

– durch einen Release-Mechanismus: Wirkstoffediffundieren aus der Oberfläche in das umge-bende Medium und wehren den Angriff vonMikroorganismen ab.

– oder durch einen Kontakt-Mechanismus: Dieantimikrobielle Wirkung entfaltet sich durchdirekten Kontakt der Mikroben mit der Oberflä-che. Die Ansiedlung und das Wachstum werdenwirksam gehemmt.


Auf nahezu allen Oberflächen möglich


Medizintechnik, Pharmazie, Schmutzwasser-Behälter,organische Abfälle, Vorratsbehälter für Wasser lacke

Einschränkung

Langzeitwirkung einiger Zusätze nicht bekannt, beiZusatz von Silber Einschränkung in der Farbgebung


Firma Alfred Clouth Lackfabrik: AntibakterielleLacke für Holz mit Nano-Silber (Clou)

36

Abbildung 32:

Beispiel für eine farb -

abweisende nanoskalige

Sol-Gel-Schicht für die

Beschichtung von Farb-

walzen – oben ohne,

unten mit Sol-Gel-Schicht.

[Weigt 2005, Heidelberger

Druckmaschinen AG].

Alte Serie: Chromoberfläche – Oleophil

Chrom-oberfläche

Sol-Gel-Oberfläche

Neue Serie: Sol-Gel-Oberfläche – Oleophob

4.2.2 Aktive Schichten zur Oberflächenreinhaltung

Bei aktiven Schichten werden zusätzliche Effektegenutzt, um die Reinhaltung aktiv zu verstärken: Übergezielt eingestellte Rauigkeiten (Lotuseffekt beihydrophoben Oberflächen), die Zugabe von aktiven Komponenten (Silberionen als antimikrobielle Aus-

rüstung) oder durch Halbleiteroberflächen, die unterEinfluss von UV-Licht reaktive Spezies (z. B. Sauer-stoffradikale) ausbilden können, die viele organischeKomponenten abbauen (Photokatalyse).

37

Abbildung 33: Prinzip der Photokatalyse

an Halbleiteroberflächen.

Quelle: www.photokatalyse.fraunhofer.de

H2O H+ + OH··O2-

TiO2-Oberfläche

O2Photooxidation

e– h+

organische Komponente

Elektron / Loch-Paar

h ν > Eg

CO2, H2O, N2, …CO2, H2O, N2, …

(Bandlücke Halbleiter)

Photoreduktion

Photokatalytisch

Photokatalysatoren wie z. B. TiO2 entfalten unterBestrahlung mit Licht und in Gegenwart von Sauer-stoff und Feuchte eine zersetzende Wirkung auforganische Stoffe, die zum Abbau von Verunreini-gungen (Schmutz) genutzt werden kann. Es mussUV-Licht, Sauerstoff und Wasser zur Verfügung stehen. Das Prinzip zeigt Abbildung 33.

Ziel / Nutzen

Aktive Oberflächenreinigung: Zersetzung und damitleichte Entfernung von organischem Material


Nanopartikel, dünne Schichten, nanoporöse Schichten


Für Anwendungen mit überwiegend organischenVerunreinigungen


Wände, Böden, Gehäuse

Einschränkung

Anwendung auf Kunststoffoberflächen schwierig

Innenraumanwendungen nur eingeschränkt bzw.mit modifizierten Halbleitern (Absorption im sicht-baren Wellenlängenbereich)

Für anorganische Verunreinigungen nicht geeignet


Degussa AG, Sachtleben: aktive TiO2-Pulver

Firma Caparol (Capasan) Wandfarbe für Innenan-wendung; Firma Franz Carl Nüdling BasaltwerkeGmbH + Co. KG Fulda: Photokatalytische Pflaster-steine

38

Lotuseffekt

Der so genannte Lotuseffekt beruht auf der Nach-bildung superhydrophober Oberflächenstrukturie-rung der Lotus-Pflanze. Tropfen auf der Blattober-fläche verlaufen nicht, sondern bleiben als Kugel-form erhalten. Beim Abrollen der Wassertropfen aufeiner geneigten Blattoberfläche werden Schmutz-partikel mit aufgenommen und so die Blattoberflä-che gereinigt. Die Nachbildung dieses bionischenEffektes in technischen Anwendungen wurde in den

letzten Jahren intensiv erforscht. Unter anderemkonnte eine Fassadenfarbe in den Markt eingeführtwerden, die auf ähnlichen Funktionsprinzipienberuht. Für technische Anwendungen ist jedoch dielanganhaltende Funktionalität problematisch, dastrukturierte Oberflächen mechanisch empfindlichsind und technische Systeme im Gegensatz zu Pflan-zen die nötige funktionelle Schicht bei Beschädi-gungen nicht nachbilden können.

4.3 Ziel „Ressourcenschonung / Umweltschutz“

Ziel / Nutzen

Ablaufende Farbstofflösung auf einer Lotusblattoberfläche

Quelle: Universität Bonn

Verstärkung der abweisenden Wirkung von Nied-rigenergieoberflächen durch Rauigkeit

Technische Grundlagen (was ist daran nano?)

Der Effekt funktioniert nur in Kombination vonniedriger Oberflächenenergie und Rauigkeit (aller-dings nicht unterhalb von 100 nm). Über die Ober-fläche rollende Wassertropfen können den loseaufliegenden Schmutz entfernen.


Fassaden, Bau, Textil, Anlagen, Leitungen


Behälter (Verbesserung Reinigungsverhalten, Restentleerbarkeit)

Einschränkungen

Erfordert eine 3-Phasengrenze d. h. in Lösung funk-tioniert der Effekt nicht. Die Bewegung von Was-ser / Flüssigkeit über die Oberflächen ist nötig.

Lotuseffekt-Oberflächen sind mechanisch nichtsehr robust und haben eine eingeschränkte Trans-parenz. Der Effekt funktioniert nur, sofern dieHydrophobie erhalten bleibt, sonst gegenteiligerEffekt (erhöhte Benetzung).


Fassadenfarben: Firma Sto (Lotusan); PigmentierteLacke für Holz und Glas (Firma Ferro)

Hier können dünne und ultradünne Schichten (< 10nm) oder Schichten mit nanoskaligem Aufbau(Hybridpolymere, Nanopartikeleinbau) eingesetztwerden. Auch klassische Bauteile können aus nano-skaligen (metallischen oder keramischen Pulvern)hergestellt werden.

Mit weniger Materialeinsatz können z. B. bei Lack-systemen gleiche oder bessere Ergebnisse erreichtwerden (Reduzierung des Anteils organischerLösungsmittel (Beispiel Korrosionsschutz [Steinfeldt2004]). Bei der elektrostatischen Sprühlackierungkann durch den Zusatz von Kohlenstoffnanoröhren(CNT) zu Kunststoffformteilen der so genannte Over-spray (nicht nutzbare Lackmenge) verringert werdenund führt so zur deutlichen Einsparung von Material.

39

4.3.1 Korrosionsschutz

Die Lebensdauer metallischer Bauteile wird durchKorrosionseffekte oft drastisch reduziert. Aus diesemGrund werden Metalle durch Korrosionschutzschich-ten veredelt und haltbar gemacht. Hier spielen Nano-schichten bzw. Nanopartikel eine wesentliche Rollebei der Verbesserung des Korrosionsschutzes.

So ist z. B. die Vorbehandlung von Metalloberflächenein großer und wichtiger Anwendungsbereich in derProduktion. Dadurch sollen Metalloberflächen von

Staub, öligen Stellen oder z. B. oxidierten Schweiß-kanten gereinigt, ein Haftgrund für die Lackierungaufgebracht und ein besserer Korrosionsschutz (Kon-versionsschicht) gewährleistet werden. Das Aufbrin-gen der Konversionsschicht erfolgt gewöhnlich durcheine Eisen- oder Zinkphosphatierung, mit den Pro-blemen schwermetallhaltiger Schlämme und einemhohen Energieaufwand für die beheizten Bäder.

Ziel / Nutzen

Probenoberfläche einer nanopartikelhaltigen Korrosions-

schutzschicht mit vergrößerter Haftfläche gegenüber

Eisenphosphatierung, Quelle: Henkel

Verlängerung der Lebensdauer von metallischenBauteilen: Korrosionsschutz (Konversionsschicht)und Haftgrund für metallische Werkstücke durchnanotechnologische Beschichtung, Ersatz vonCr(VI) für Aluminiumoberflächen zur Vermeidungder Filiformkorrosion

Substitution der bisherigen Eisenphosphatierungmit anschließender Passivierung durch gebräuch-liche Pulver- und Nasslackierungen.

Umweltfreundlicheres Verfahren durch nanotech-nologische Beschichtung


Konversionsschicht basiert auf Metalloxiden (wieTitan oder Zirkonium) und komplexen Fluoriden(Zr-oxyfluoroglas ZrOxFy) mit Beschichtungsdickenvon 20 bis 30 nm.

Nanoskalige HybridpolymerlackeAktiver Korrosionsschutz mit Nanopartikeln


Korrosionsschutz (Konversionsschicht) und Haft-grund als Vorbehandlung von Metall-Teilen (z. B.kalt gewalzter Stahl, galvanisierter Stahl, Alumi-nium, Zink): Reinigung der Teile, Haftgrund für dieLackierung, besseren Korrosionsschutz; Multime-tall-Vorbehandlung (Stahl, Alu, Zink)


Schutz von Bauteilen in der Produktion mit erhöhterchemischer oder mechanischer Beanspruchung;Verbesserung des Haftgrundierungs- und Konver-sionsbeschichtungsprozesses in der Produktion

Einschränkung

Fehlende Langzeiterfahrung


Firma Kesseböhmer (Ladenbau- und Warenprä-sentationssysteme aus Metall): Anwender des Bon-derite NT-Systems der Firma Henkel (BroschüreFirma Henkel „Nanotechnologie in der Lackiervor-behandlung“ 2005)

Firma Rittal (Schaltschränke)

Firma Holzapfel: NANOKORR. Silizium-Nanoparti-kel in galvanischen Schichten für Zink-Eisen-Schich -ten ermöglichen Selbstheilungseffekte

40

4.3.2 Verschleiß-Verringerung

Um die Härte von keramischen, metallischen oderpolymeren Werkstoffen zu erhöhen, werden unter-schiedliche Schichtsysteme eingesetzt. So wird z. B.eine Kombination von Verschleißwiderstand mitniedrigen Reibwerten durch Diamond-like-Carbon(DLC)-Schichten erzielt, auf transparenten Polyme-ren können Nanolacke bzw. Hybridpolymere alsKratzschutzschichten verwendet werden.

Ziel / Nutzen

Kratzfeste Hybridpolymerschicht auf einem transparenten

Kunststoffsubstrat (Polycarbonat, linke Seite beschichtet,

Quelle: Fraunhofer ISC)

Verlängerung der Lebensdauer von Werkzeugenund Gebrauchsgegenständen, Erhalt der Transpa-renz von optischen Polymeren


Dünne Schichten, Einsatz von Nanopartikeln,Metallische Bauteile mit nanoskaligem Aufbauhaben höhere Härte, keramische Nanopulver lie-fern duktile keramische Bauteile (Werkzeuge),Hybridpolymere ORMOCER®e


Für nahezu alle Oberflächen möglich


Werkzeugbeschichtungen, keramische oder metal-lische Bauteile, transparente Polymere

Einschränkung

Teilweise erhöhte Kosten


Lohnbeschichter für PVD / CVD / SputternMetallische Nanopulver für Verschleissteile(Firma Sandvig)Hybridpolymere: Firma Degussa AG

4.3.3 Thermische Schutzschichten

Viele Werkstoffe / Werkzeuge müssen während derHerstellung oder auch in ihrem späteren Einsatz beihohen und höchsten Temperaturen eingesetzt wer-den. Durch den Einsatz von thermischen Schutz-schichten kann die Lebensdauer der Bauteile deut-lich erhöht werden. Dabei spielen sehr dünne,umformbare Nanoschichten oder auch nanoporöseSchichten eine Rolle.

Ziel / Nutzen

Warmumformprozess von Stahlblechen Quelle: Broschüre –

Stahl Innovationspreis 2006 Uni Kassel, Firma Volkswagen,

Thyssen-Krupp und Firma Nano-X

Verlängerung der Lebensdauer von Materialienbei hohen und höchsten Temperaturen


Dünne Schichten, Einsatz von Nanopartikeln

Nanoporöse Schichten sind sehr gute Wärmeisolatoren

Dünnstschichten lassen sich sehr leicht umformen


Schutzschichten für Metalle, Stahl


Wärmetauscher, Turbinen, Stahlbleche etc.

Einschränkung

Teilweise Kostenprobleme


Verzunderungsschutz bei Umformprozessen vonStahlblechen für die Automobilindustrie (Thyssen-Krupp, VW, Nano-X, Uni Kassel) [Nano-X 2005,Thyssen 2006]

41

4.3.4 Verbesserte Luft- und Abwasserreinigung

Die Reinigung von Luft und Abwässern in der Pro-duktion ist nicht nur ein zentrales Element einerumweltgerechten Produktion, sondern auch aus Sichtder Arbeitsplatzsicherheit ein relevanter Ansatzpunkt.Mit dem Ziel Prozesse kreislaufgerecht und ressour-ceneffizient auszulegen, werden in FiltersystemenAbwässer aufgereinigt und die Schadstoffbelastungin der Prozessabluft reduziert.

Ziel / Nutzen

Mit Nanoweb beschichtete Medien weisen besonders für

feine Schmutzpartikel einen deutlich höheren Abscheidegrad

auf (Hessen-Nanotech NEWS 4/2006)

Effektivere Reinigung von Abluft und Abwässern,von Raumluft in der Produktion, von Trinkwasseroder von chemischen Hilfsstoffen (Bsp. Altöl)


Dünne Schichten, Einsatz von Nanopartikeln,Photokatalytische Reinigung, Einsatz von neuenpolymeren Nanofasern als Filtergewebe


Verbesserte Effektivität durch höhere Oberflä-chen der Nanomaterialien als Schichten, Pulverbzw. Fasern


Schmierölfilterung, Reinluftfiltration

Einschränkung

Höherer Preis der Produkte


Firma Degussa: Materialien für photokatalytischaktive Schichten z. B. auf Basis TiO2

Nanofiltergewebe: Luft- und Schmierölfiltrationdurch Nanoweb® Firma Hollingsworth & Vose(Hessen-Nanotech NEWS 4/2006)

Partikelgröße (µm)

Partikelabscheidegrad100

80

60

400,1 1 10

mit Nanoweb

ohne Nanoweb

Ab

sche

ideg

rad

(%)

42

4.4.1 Antistatische und transparent-leitfähige Schichten

Die elektrostatische Aufladung von z. B. Anlagentei-len oder Stückgütern aus Kunststoff in Transport- /Schienensystemen und damit unerwünschte elek-trostatische Wechselwirkungen können ein Prozess-sicherheitsproblem darstellen. Ein anderes Anwen-dungsgebiet sind Kunststoffverpackungen von z. B.elektronischen Bauteilen, für die ebenfalls die Ver-hinderung der elektrostatischen Aufladung gefor-dert wird. Durch eine Anti-Statik-Beschichtung mitNT kann die Aufladung verhindert werden.

Ein besonderer Nutzen ergibt sich aus der Kombi-nation von Anti-Statik-Funktion mit anderen zusätz-lichen Eigenschaften oder durch die Anwendungeiner Anti-Statik-Beschichtung unter besonders an -spruchs vollen Umgebungen. Für Displayanwendun-gen spielen transparent-leitfähige Schichten (TCO-Schichten = transparent conductive oxides) einewichtige Rolle.

4.4 Ziel „Erhöhung der Betriebssicherheit“

Ziel / Nutzen

Funktion einer transparenten Antistatikschicht auf Polycarbo-

nat (linke Seite beschichtet), Quelle: Fraunhofer-ISC

Verhinderung der elektrischen Aufladung vonisolierenden Oberflächen z. B. bei Kunststoffen,Transparente Elektroden


Dünne Schichten, Einsatz von Nanopartikeln

Transparente Anti-Statik-Beschichtung durchFlammen-CVD mit einer Zinkoxidschicht undFluor-Dotierung erreicht Widerstand von 10 kΩ.Diese hochohmige Schicht ist für die Ladungs -abfuhr ausreichend.

Mit Antimon-Zinn-Oxid (ATO) oder Indium-Zinn-Oxid (ITO) lässt sich eine permanente leitfähigeBeschichtung auf Kunststoff realisieren. ITO wirdfür die antistatische Ausrüstung der transparen-ten Abdeckscheiben von Flachbildschirmen ein-gesetzt.

Modifizierte Hybridpolymere (ORMOCER®e) mitstabil verankerten polaren Gruppen für Antistatik


Antistatik für Kunststoffe

Transparent leitfähige Schichten (TCO) für Displays


Fertigung oder Produktion von Kunststoffteilenbzw. Führung von Kunststoffteilen in Transport- /Schienensystemen

Einschränkung

Kosten


Rohstofflieferant für ITO, ATO-Schichten: Firma Degussa, Firma Röhm

Hybridpolymere: Firma Degussa AG

43

4.4.2 Elektromagnetische Abschirmung

Durch die Zunahme der Zahl elektronischer Gerätein Produktionsumgebungen spielt für die Betriebs-sicherheit auch die elektromagnetische Abschir-mung der Geräte eine zunehmend wichtigere Rolle.Gerade durch die vermehrte Verwendung vonKunststoffen wird die Abschirmproblematik weiterzunehmen. Der Einsatz spezieller Nanofüllstoffekann schon bei geringen Füllgraden in Verbund-werkstoffen wesentlich zur Abschirmung beitragen.

Ziel / Nutzen

Quelle: www.marburg-tecnic.de

Verringerung von Störeffekten elektrischer Geräte


Nanofüllstoffe wie z. B. CNT oder metallische bzw.magnetische Nanopartikel haben eine gute Ab -schirm dämpfung schon bei niedrigen Füllstoffge-halten d. h. es sind keine negativen Auswirkungenauf sonstige mechanische Eigenschaften z. B. beipolymeren Verbundwerkstoffen damit verknüpft,das Gesamteigenschaftsbild bleibt erhalten. AuchIndium-dotiertes-Zinkoxid (ITO) kann bei Displaysfür eine elektromagnetische Abschirmung ver-wendet werden.


Für elektrische Installationsmaterialien aus Kunststoffen, Gehäuse


Gehäuse von Geräten; Abschirmung durch Trennwände / Folien

Einschränkung

Nanofüller oft noch zu teuer!


Bayer Material Science AG: CNT als FüllstoffMagnetische Nanopartikel: Firma Degussa,Sustech; Degussa AG: ITO-Nanopartikel

4.4.3 Antireflex-Eigenschaften

Spiegelungen an Oberflächen können die Ables-barkeit von Displays oder die Durchsicht durch Ver-glasungen deutlich beinträchtigen. Die Reduktionder Lichtreflexion und damit Erhöhung der Durch-sicht/Ablesbarkeit kann durch strukturierte Oberflä-chen bzw. durch nanoporöse Schichten erreicht wer-den (siehe hierzu auch Band 5 „Nanooptik“ derSchriftenreihe der Aktionslinie Hessen-Nanotech(Bestellung / Download unter www.hessen-nanotech.de ))

Ziel / Nutzen

Nanoporöse SiO2-Antireflexschicht auf einem Glassubstrat

(Quelle: Firma Merck)

Verhinderung von unerwünschten Spiegelungen inOberflächen, Sicherheitsaspekte. Energieverlustminimieren (Abdeckung von Solarkollektoren)


Dünne Schichten, Einsatz von Nanopartikeln, nanoporöse Schichten, strukturierte Oberflächen(Mottenaugen)


Für transparente Bauteile aus Glas oder Kunststoff


Abdeckungen, Displays, Verscheibungen

Einschränkung

Kombination Antireflex und Abrasionsschutz z. B.bei Kunststoffen oft nicht ausreichend


Firma Schott: Interferenzschichten für Glas undKunststoff

Firma Merck: wässrige Sole für die Herstellung vonnanoporösen Antireflexschichten auf Gläsern,Hauptanwendung: Abdeckung für Solarkollektoren

44

4.4.4 Anti-Beschlag-Eigenschaften

In feuchter Produktionsumgebung, bei Spülvorgän-gen mit Heißwasser können beschlagene Flächenund besonders Glasscheiben ein Sicherheitspro-blem darstellen, wenn z. B. dadurch Arbeitsprozessein eingehausten Anlagenteilen nur schwer über-wacht werden können. Durch entsprechende Anti-Beschlag-Eigen schaften können die Sichtverhält-nisse von Scheiben verbessert werden, ebenso kön-nen z. B. auch Oberflächen von optischen Sensorenbeschlagfrei gehalten werden.

Ziel / Nutzen

Klare Sicht durchs Fenster: Auf dem photokatalytisch beschichteten

Glas (rechts) bildet sich ein benetzender Film.

Quelle: www.photokatalyse.fraunhofer.de

Verhinderung des Beschlagens durch Wasserund damit verbunden Einschränkung der Sicht


Dünne Schichten, Einsatz von Nanopartikeln,Superhydrophile TiO2-Schichten, Hybridpolymere


Für nahezu alle Substrate


Schutzbrillen, Visiere, Einhausung von Anlagen

Einschränkung

Kombination mit Kratzfestigkeit bei Kunststoffenteilweise problematisch, Kosten, Langzeitbestän-digkeit meist nur bei rein anorganischen Schich-ten möglich, diese sind aber für Kunststoffober-flächen nicht geeignet oder zu teuer


Firma Degussa: TiO2 als Basis für superhydrophile Schichten

Firma De Cie, Frankfurt (vor allem für den Konsumerbereich)

Firma Genthe-X Coating (für Kunststoffe)

4.4.5 Geruchs- und Schadstoffabsorption und -zersetzung

In einigen technischen Prozessen müssen organi-sche Verunreinigungen bzw. Schadstoffe reduziertbzw. komplett abgebaut werden. Auch aus Gründender Umwelthygiene sollte die Geruchsbelästigungmöglichst minimal sein. Dies kann durch den Einsatzvon Schichten mit sehr hoher spezifischer Oberflä-che bzw. durch die Verwendung von katalytisch akti-ven Nanopartikeln erreicht werden.

Ziel / Nutzen

Poröse nanoskalige Keramikschicht für Ofensysteme

(Quelle: ItN Nanovation AG)

Geruchs- bzw. Schadstoffminderung z. B. Verringerung der NOx-Belastung


Dünne Schichten, Einsatz von Nanopartikeln (Kata -lytisch aktive bzw. zur Absorption – sehr großeOberflächen), Abbau von organischen Stoffenoder Schadgasen wie NOx oder Formaldehyd


Wand- und Bodenbeläge, Tapeten, Öfen


Wände, Böden, Gehäuseteile, Öfen

Einschränkung

Katalysatoren teilweise recht teuer, wenig Erfahrung über Langzeitverhalten der Effekte


Firma Degussa AG: Nanopulver für katalytischeaktive Schichten | Fa. Caparol: photokatalytischaktive Farbe für den Innenraum | ItN NanovationAG: Poröse nanoskalige Keramikschichten fürOfensysteme | duraAir® (Dura Flooring SystemsGmbH Fulda): Teppichböden mit Ausrüstungzum Abbau von Gerüchen, Tabakrauch, Formal-dehyd etc. | Firma Franz Carl Nüdling BasaltwerkeGmbH + Co. KG Fulda: Photokatalytisch ausge-rüstete Betonteile, Pflaster

45

4.4.6 Flamm- /Brandschutz

Brände sind nicht nur im privaten Umfeld, sondernauch im Produktionsumfeld zu vermeiden. Durch denverstärkten Einsatz von Kunststoffmaterialien kommtdem Brandschutz daher eine sehr hohe Bedeutung zu.Nahezu alle Kunststoffe müssen mit Flammschutzaddi-tiven ausgerüstet werden. Durch den Einsatz von gerin-gen Mengen an Nanofüllstoffen kann der Anteil orga-nischer Flammschutzadditive reduziert werden, was zueiner Reduktion toxischer Gase im Brandfall führenkann sowie ein brennendes Abtropfen verhindert.

Ziel / Nutzen

Brandverhalten eines Kunststoffbauteils mit (rechts) und

ohne (links) den Zusatz von Nanofüllstoff (Schichtsilikat)

(Quelle: Südchemie AG)

Verbesserter Brandschutz von Kunststoffen, Ver-hindern des brennenden Abtropfens (siehe Bild)


Einsatz von Schichtsilikaten, nanoschaum -bildende Verglasungen


Kunststoffteile, Verglasungen (Sicherheitsglas)


Kabel, Sicherheitsglas

Einschränkung

Ersetzt Flammschutzmittel nur teilweise; Verglasungen mit höheren Kosten verbunden


Kabelisolation: Südchemie + Kabelwerke Eupen

4.4.7 Wärme- und Schallisolation

Für Produktionsumgebungen spielt in vielen Fällendie Kontrolle des Wärmeflusses eine wichtige Rolle.Dazu werden u.a. Wärmeisolationsmaterialien ein-gesetzt, die eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeitaufweisen. Dies kann z. B. durch nanoporöse Schäu -me aus Kunststoffen oder silikatischen Aerogelenerreicht werden. Nanoporöse Materialien sind auchschallisolierend und tragen so zur Erhöhung derBehaglichkeit bei.

Ziel / Nutzen

Wärmeleitung (freie Gasmoleküle links) und Abnahme

beim Einsatz von nanoporösem Aerogel/Nanogel (rechts)

Quelle: Firma Cabot

Höhere Energieeffizienz, weniger Lärm


Nanoporöse Materialien reduzieren die mittlerefreie Weglänge von Gasmolekülen


Nanoporöse Schäume, Aerogele, als Plattenware


Gehäuse von Anlagen, Bauteilen

Einschränkung

Kosten, mechanisch nicht belastbare Teile


Firma Cabot (Produktionsanlage Frankfurt Höchst)bietet Nanogel (modifiziertes Siliciumdioxid-Aerogel) zur Wärmedämmung an (teilweise trans-parent und in Kombination mit Kunststoffen

Wärmequelle

freie Gasmoleküle Gasmoleküle in Nanogel

hoheWärmeleitung

stark reduzierteWärmeleitung

20 nm

46

4.4.8 Erhöhung der Dichtigkeit

In gas- bzw. flüssigkeitsführenden Systemen werdenimmer öfter Kunststoffmaterialien eingesetzt. DerNachteil von Kunststoffen ist jedoch ihre einge-schränkte Stabilität gegen Lösungsmittel / Flüssig-keiten sowie in vielen Fällen eine zu hohe Permea-

tion von Gasen oder Feuchte. NT können dieseNachteile in vielen Fällen entweder durch den Ein-bau von Nanofüllstoffen in die Polymere oder durchden Auftrag von Barriereschichten ausgleichen.

Ziel / Nutzen

Verringerung der Permeation durch plättchenförmige

Nanofüllstoffe aufgrund längerer Diffusionswege (blau)

Verringerung bzw. Vermeidung der Permeationvon Feuchte oder Gasen z. B. in Leitungssyste-men (Kunststoffe)


Schichtsilikate in Polymeren zur Verbesserungder Barrierewirkung, Beschichtung mit nano -skaligen Hybridpolymeren


Sperre für Feuchte, Sauerstoff,Lösemittel oder Dämpfe


Medien- bzw. gasführende Kunststoffteile

Einschränkung

Teilweise höhere Kosten


Firma Südchemie (Schichtsilikate als Füllstoffe);Degussa AG: Nanolacke, Hybridpolymere

47

4.5.1 Analyse und Qualitätssicherungsinstrumente

Zur Qualitätssicherung im Produktionsprozess vonNanomaterialien und Strukturen müssen analytischeInstrumente eingesetzt werden, die es erlauben denAufbau der Nanostrukturen mit hoher Auflösungabzubilden (siehe dazu auch Kapitel 3). Eines derwichtigsten Instrumente hierfür ist das Rasterson-den/-kraftmikroskop.

Ziel / Nutzen

Tunnelstrom zwischen der Spitze eines Rastertunnelmikro -

skopes und einer Probenoberfläche (Quelle: www.ieap.uni-

kiel.de/surface/ag-berndt/mikro/stm-mikro-1.html

Abbilden von Nanostrukturen an Oberflächen sowie von

Nanopartikeln


Rastersondenmikroskopie: Eine Mikrosonden-spitze tastet in sehr geringem Abstand (atomarerBereich) eine Oberfläche ab. Die abstandsabhän-gigen Wechselwirkungen zwischen Sonde undOberfläche werden aufgetragen und ergeben ein2-dimensionales Abbild der Oberfläche.


Analyse von Nanostrukturen


Qualitätssicherung, Analytik von Oberflächen

Einschränkung

Anschaffung und Bedienung sehr teuer bzw. auf-wändig mit entsprechenden Fachkompetenzen,kaum Online-Analytik möglich mit Rastersonden-verfahren


Verschiedene Firmen, z. B. Omicron Nanotechno-logy; Weitere Verfahren, die auch in Produktions-prozessen eine Rolle spielen können, sind in denHessen-Nanotech NEWS 3|2006 beschrieben.

4.5.2 Genaueres Dosieren

Vor allem beim Dosieren von hochwertigen Flüssig-keiten spielt die Wechselwirkung zwischen der Flüssig -keit und der Behälterwand eine wichtige Rolle. Ist dieseWechselwirkung zu groß, können Behältnisse nichtvollständig entleert werden. Eine Verringerung dieserWechselwirkung durch Niedrigenergieoberflächenträgt daher zu einer verbesserten Entleerbarkeit bei.

Ziel / Nutzen

Optimierter Flüssigkeitsauslauf aus einem Kunststoffgefäß mit

einer Niedrigenergieoberfläche Quelle: Degussa AG

Restentleerbarkeit und Flüssigkeitsablauf verbessern


Dünne Antihaftschichtschichten mit niedrigerOberflächenenergie, Hybridpolymerschichten,Sol-Gel-Schichten, Plasmapolymere


Für alle flüssigkeitsführenden Gebinde


Verbesserung Restentleerbarkeit von Gebinden,Leitungen etc.

Einschränkung

Langzeiterfahrung fehlt


Firma Möller Medical, Fulda(Medizintechnik: Spritzen aus Edelstahl)

Hybridpolymere, strukturierte Oberflächen:Firma Degussa AG

4.5 Ziel „Verbesserung der Qualität und Qualitätssicherung“

48

4.5.3 Fälschungssichere Kennzeichnungvon Produkten

Die Fälschung von Produkten ist ein stark wachsen-der illegaler Markt. Daher ist die Kennzeichnung derProduktherkunft und dadurch ein verbesserterSchutz vor Produktpiraterie ein stark wachsenderAnwendungsbereich auch für Nanotechnologien(siehe dazu auch die Studie des Bundesamtes fürSicherheit in der Informationstechnik [BSI 2006]).

Ziel / Nutzen

Gedrucktes Sicherheitselement auf Bakteriorhodopsin Basis:

Nach Farbwechsel durch Bestrahlung mit Licht

(Quelle: Uni Marburg)

Sicherung des technologischen Vorsprungsdurch fälschungssichere Kennzeichnung von Produkten sowie Verpackungen

Technische Grundlagen (was ist daran nano?)

Zugabe speziell dotierter Nanopartikel (z. B. Fluo-reszenzpartikel, Bakteriorhodopsin u. a.) oder Ein-satz von Nanomultischichten (HolographischeLabel)


Für alle Produkte sowie Verpackungen


Aufdrucke auf Verpackungen, Siegel

Einschränkung

Teilweise noch recht teuer, Integration in Produk-tionsprozesse noch nicht in allen Fällen möglich


FAG Kugelfischer: Kennzeichnung von Wälz -lagern durch nano-optische Siegel (Firma Identif –November AG) (Quelle: www.maschinenmarkt.de16.6.2006) | Labelpartikel Bayer Material ScienceAG, Partikelsysteme (Simons Druck GmbH – Secu-tag) | Optische Schichtsysteme: Firma NovemberAG (Identif) | Prof. Norbert Hampp (Uni Marburg): Bakteriorhodopsin

4.5.4 Sensorik

Bei der Überwachung von klassischen Produktions-prozessen werden an vielen Stellen Sensoren ein-gesetzt. Durch NT können Sensoren produziert wer-den, die kleiner, kompakter, widerstandfähiger undrobuster sind sowie eine höhere Empfindlichkeit auf-weisen.

Ziel / Nutzen

Magnetoresistiver GMR-Sensor, der mehrere Lagen mit

Schichtdicken von 2 nm aufweist. (Quelle: Firma Sensitec,

Broschüre Hessen Nano im Automobilbau)

Analyse und Messung von u. a. Inhaltsstoffen,chemischen und physikalischen Parametern


Optische, mechanische, Bio-, IR oder Chemosen-soren: ultradünne Schichten / laterale Nanostruk-turen aus Halbleitermaterial, Biopolymeren,Metallen oder Lipiden; nanoskalige Spitzen undBalken aus Kohlenstoff, Halbleiter, Molekülen /Supramolekulare Strukturen aus Proteinen, Nanoporen in Polymeren


Sensorische Funktionen in der Prozessüberwa-chung und Anlagensicherheit, Analytik, Medizin-technik, Lebensmitteltechnik, Information undKommunikation, usw.


Qualitätssicherung, Steuerung, Überwachung,Logistik, Explosionsschutz und Branddetektion

Einschränkung

Nicht in jedem Falle für Online-Prozesskontrollegeeignet


Firma Sensitec GMR-Sensoren

49

Neben der Verbesserung von Materialeigenschaftendurch den Einsatz von Nanomaterialien spielen auch„sekundäre“ Effekte eine Rolle, bei denen die Pro-zessierbarkeit klassischer Materialien verbessertwird. Dies ist für viele industrielle Produktionspro-zesse ein sehr wichtiges Ziel.

Hier kommen z. B. nanoskalige Pulver zum Einsatz,die es erlauben, klassische Bauteile aus Keramikoder Metall herzustellen. Durch die erhöhte Reakti-vität der Pulver können Sinter- und Fügeprozessebei reduzierten Prozesstemperaturen durchgeführtwerden. Beispiel hierfür sind keramische Multilayer-strukturen mit Metallen und Funktionskeramiken(Firma Bosch) bzw. der Einsatz von Silber-Nanopar-tikeln für die Herstellung von metallischen Struktu-ren/Schichten auf Kunststoffen über Inkjetverfahren(Anwendung Polymerelektronik, Firma Cabot Ag-Nanopartikel).

Neben der Energieeinsparung durch die reduzier-ten Prozesstemperaturen können so auch völlig neu-artige Systeme (strukturierte Metalle auf Kunststof-fen) hergestellt werden, die mit konventionellen Pul-vern nicht möglich sind. Im fertigen Produkt sindjedoch keine Nanostrukturen mehr vorhanden, mannutzt lediglich den reaktiven Zwischenzustand vonnanoskaligen Materialien im Herstellungsprozess.

Ein Beispiel für optimierte Prozesstechniken ist die Verwendung von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs)als Zusatz in Kunststoff-Bauteilen zur verbessertenLackierung.

Auch beim Einsatz von Nanopartikeln z. B. bei derSpritzgussverarbeitung von Polymeren können Vor-teile erzielt werden. So wird durch die Zugabe von50 nm großen Nanopartikeln zu einem Polymer(PBT-BASF) eine deutliche Verbesserung der Fließ-fähigkeit der Polymerschmelze erreicht, was zu einerwesentlichen Einsparung an Energie sowie kürzerenZykluszeiten bei der Polymerverarbeitung führt [Iden2006].

Optimierungen bei der Verklebung von Bauteilenkönnen über Nanobond-Kleber erzielt werden.Neben einer Verstärkung von Klebestellen durchden Zusatz von Nanofüllern, kann der Einsatz vonmagnetischen Nanopartikeln zu einem so genann-ten Bond / Disbond on Command führen. SolcheKlebsysteme können gezielt durch den Eintrag vonthermischer Energie (über Mikrowellenabsorption)genau an der Stelle und zu dem Zeitpunkt ausge-härtet werden, wo dies nötig bzw. gewünscht ist,ohne jedoch die Umgebung der Klebestelle aufzu-heizen (siehe dazu Abbildung 34). Da nach einerErhitzung im Magnetfeld die Partikel immer wenigerEnergie absorbieren, kann der Klebevorgang sogesteuert werden, dass keine Überhitzung auftritt.Wenn die Klebestellen wieder getrennt werden sol-len, kann dies durch Zufuhr von Energie erfolgen.Die Firma Sustech nutzt dafür Ferrite mit 10 nm Par-tikelgröße, die über chemische Fällung hergestelltwerden. Auch die Firma Degussa AG beschäftigtsich mit Materialien für intelligente Klebeverbin-dungen (z. B. Einbau von Fe-Oxiden in SiO2, Her-stellung über Flammsynthese).

4.6 Ziel „Innovative / optimierte Prozesstechnik“

Abbildung 34:

Prinzip des Bond / Disbond-

on-command auf der Basis

magnetischer Partikel

(Quelle: Sustech)

Mikrowellenwerden eingestrahlt

Die Partikelabsorbieren dieEnergie und erwärmen sich

Der Klebstoffverfestigt sich„auf Kommando“

Wirkprinzip des Bond-on-Command

Festigkeit/MPa

Heizzeit/Min.

Mikrowellenhärtung konventionelle Härtung

3

2

1

10 20 30 40 500Zeit (min)

Heißluft/120°CMW (2 % Ferrit)Fe

stig

keit

(MPa

)

1 2 3 4 5 6 7

Ziel

Verkürzung der Aushärtezeiten von Klebung in der Montage

Schonende Demontage vonKlebverbindungen für Nach-arbeit/Reparatur/Recycling

u Zeitlich und lokal definierter Eintrag von Energie

u Klebstoffaushärtung„auf Knopfdruck“

konduktive Wärmeübertragungvon außen nach innen

homogene Erwärmung mitMikrowellen (volumetrisch)

u Erwärmung ausgehärteter Klebschichtenu Entfestigung/Trennung der Klebverbindung

Bonding on Command

Debonding on Command

50

4.7 Mikrobauteile / -maschinenDie bislang eingesetzten Mikrobauteile im Bereichmikroelektromechanischer Systeme (MEMS) habenden Nanobereich erst in wenigen Fällen erreicht.Ihre typischen Strukturgrößen sind oberhalb von100 nm (siehe Abbildung 35).

Zu möglichen Anwendungen im Bereich der Mikro-systemtechnik siehe dazu auch KompetenznetzwerkMikrosystemtechnik (www.mst-rhein-main.de).

Ein Beispiel für die Anwendung spezieller Nano -materialien für mechanische Anwendungen sindFerrofluide, die durch den Einfluss eines Magnet-feldes ihre Fließeigenschaften ändern können. Ferrofluide bestehen aus magnetischen Nanoparti-keln (typische Größe 10 nm, Degussa AG, Sustech)in einer inerten Flüssigkeit und werden als Dichtun-gen eingesetzt oder z. B. zur Kühlung von Lautspre-

chern [Odenbach 2001]. Im Bereich der elektro- undmagnetorheologischen Flüssigkeiten (ERF: FirmaFludicon Darmstadt; MRF), die durch Anlegen eineselektrischen bzw. magnetischen Feldes ihre Viskosi-tät schaltbar ändern können, gibt es ebenfalls inte-ressante Anwendungsmöglichkeiten, z. B. als aktiveDämpfungssysteme in Maschinen und Anlagen.Allerdings arbeitet die Mehrzahl der ERF- und MRF-Systeme nicht mit nanoskaligen Partikeln (sondernmit Teilchengrößen im µm-Bereich), da eine effek-tive Kraftübertragung mit nanoskaligen Partikelnkaum möglich ist.

Auch die Natur hat sehr effektive Beispiele parat, wieman z. B. chemische Energie in mechanische Ener-gie umwandeln kann (Abbildung 36). Die Umset-zung in technische Systeme liegt aber sicher noch inweiter Ferne.

Abbildung 35 (links):

Mikro- und nanoelektro-

mechanische Systeme

[Quelle: Heyer-Wevers

2005]

Viele neuere Anwendungen der NT sind erst kurzeZeit am Markt, daher kann in manchen Fällen überdie Langzeitbeständigkeit und Haltbarkeit derEffekte (z. B. Selbstreinigungsfunktion) noch nichtabschließend geurteilt werden.

Wenn es allerdings gelingt, die teilweise deutlichverbesserten Eigenschaften dauerhaft zu erhalten,so können die in der Regel anfallenden höherenMaterialkosten durch die Reduktion der gesamtenSystemkosten (Einsparung von Reinigungs- undErneuerungskosten, verbesserte Leistungscharakte-ristik) überkompensiert werden und es entsteht einwesentlicher Produktvorteil. Dies zeigen aktuelleBeispiele innovativer Unternehmen auch in Hessen(z. B. Firma Rittal siehe Abschnitt 4.3.1).

Wenn Nanomaterialien in Produktionsprozesseneingesetzt werden, um die Prozessierbarkeit klassi-scher Produkte zu verbessern, gelten diese Ein-schränkungen nicht. Hier ist sofort sichtbar undberechenbar, wie hoch die Einsparungen an Kostensind bzw. wie die Vorteile genau aussehen.

Abbildung 36 (rechts):

Beispiel für Nanoma-

schinen in der Natur:

Biologische Motoren;

[Quelle: Heyer-Wevers

2005 und

http://www.imb-jena.de/

~kboehm/aktor.jpg]

4.8 Einschränkungen und Herausforde rungen der Anwendung von NT

LastKinesin (Läufer)Mikrotubulus (Stator)

Tubulindimer (8 nm)

+-

• Mikro- und nano -elektronische Systeme(MEMS, NEMS)

• Basis: Siliziumprozess-technik (Strukturbreitenbis < 100 nm)

• Weiterentwicklungdurch EUV- bzw.Immersionslithographie

• Anwendung: I&K sowie Medizintechnik

Geißelmotor eines Bakteriums: Umsetzungvon chemischer in mechanische Energie

Linearer Proteinmotor

51

4.9 Zusammenfassung

Ziele der prozessorien-tierten Produktion

Aufgaben

Effizienz

Langlebigkeit

Sicherheit

Kosten

Zeit

Nachhaltigkeit

Qualität

Produktionsmittel

Qualitäts- und

Arbeitssicherheit

Produktions-logis-

tik/M

W

Verfahrenstechnik

Instandhaltung

Passive Schichten mit niedriger Oberflächenenergie X X X X X X

Aktive Schichten zur Oberflächenreinhaltung X X X X X X

Lotuseffekt X X X X

Antibakteriell X X X X X X

Photokatalyse X X X X X

Korrosionsschutz X X X X X X X

Verschleiß-Verringerung X X X X X

Thermische Schutzschichten X X X X X

Materialeinsparung (Lösungsmittel) X X X X

Verbesserte Abwasserreinigung X X X X X X X

Anti-Statik und transparenteleitfähige (TCO) Schichten X X X X X

Elektromagnetische Abschirmung X X X

Antireflex Eigenschaften X X X X

Anti-Beschlag Eigenschaften X X X X

Geruchsabsorbierende / -zersetzende Schichten X X X X X

Brandschutz X X X

Wärme- und Schallisolation X X X X

Erhöhung der Dichtigkeit X X X X X X X

Analyse und Qualitätssicherungsinstrumente X X X X X

Genaueres Dosieren X X X X X X X

Fälschungssichere Kennzeichnung von Produkten X X X X

Sensorik X X X X X

Tabelle 10:

Zusammenfassung der

Anwendungspotenziale

in der Produktion

52

Abbildung 37 zeigt wichtige Anwendungsbereiche für Unternehmen, ausgehend von der Frage, in welchen Anwendungen die NT für die Produktion interessant ist.

5 Innovationspotenziale für hessische Unternehmen

5.1 Relevanz für das eigene UnternehmenWann ist NT für mich interessant?

Abbildung 37:

Entscheidungspfade für den Einsatz

von NT in der Produktion

zur Analyse ...

VerbesserteAbwasserreinigung

Photokatalyse

Ziel „Innovative/optimierteProzesstechnik“

Geruchsabsorbie-rende/-zersetzendeSchichten

für Oberflächen mit Prozessfunktion/Beschichtungs-prozessen

Sensorik biologischerSysteme

FälschungssichereKennzeichnungvon Produkten

Qualitätssiche-rungsinstrumente

in der Qualitäts-sicherung

Sensorik chemsicherSubstanzen

durch chemisch-physikalische Beanspruchung

Verschleiß-Verringerung

Easy-to-Clean, Antihaftoberflächen

Korrosionsschutz,Haftgrundierung

mit biologischen Systemen und organischen Substanzen

Antibakteriell

Easy-to-Clean, Anti-Fingerprint

Photokatalyse

mit Wasser/Feuchte

Lotuseffekt

Easy-to-Clean

Anti-Beschlag Eigenschaften

mit Füllgütern, Reinigungs- und Schmiermittel

Easy-to-Clean, Antihaftoberflächen

zur Verbindung und Lösung von Flächen

Bond/Debond-Kleber (Innovative/optimierteProzesstechnik)

durch Brandschutz

durch Verschleiß-Verringerung

durch Erhöhungder Dichtigkeit

Wann ist NT fürdie Produktion

interessant?

bei Wechsel-wirkungen an Grenzflächen ...

bei Feld-Wechsel-wirkungen mit …

zur Erhöhung derBetriebssicherheit und Maschinen-laufzeiten …

Anti-Statik und transparent-leitfähige (TCO) Schichten

elektrischen Feldern

ElektromagnetischeAbschirmung

magnetischen Feldern

Antireflex Eigenschaften

Strahlung im optisch sicht-baren Bereich

SchallisolationSchall-Feldern

Thermische Schutzschichten

Wärmeisolation

thermischen Feldern/Strahlung

durch Wärme- undSchallisolation

53

Beim Umgang mit Nanomaterialien in Pulverformmüssen einige Sicherheitsaspekte beachtet werden.Wie aus der Diskussion um Feinstäube schon allge-mein bekannt, sind ultrafeine Stäube, die in dieUmgebung gelangen können zu vermeiden. Diesgilt in ähnlicher Form beim Umgang mit Nanopul-vern in fester Form. Das toxikologische Potenzial vie-ler neuer Nanomaterialien ist noch nicht in allen Ein-zelheiten bekannt. Eine Übersicht zum aktuellenStand zeigt Abbildung 38.

Generell gilt, dass eine Gefährdung dann erwartetwird, wenn es eine Exposition gegenüber denpotenziell toxischen Materialien gibt [Krug 2005].Die Herstellung und Verarbeitung von Nanopulvernfindet üblicherweise in gekapselten Anlagen statt,so dass hier die Exposition minimiert wird. SindNanopartikel in eine Matrix oder Beschichtung ein-gebunden, so ist die Wahrscheinlichkeit für eineExposition relativ gering, da die Oberflächenkräfteder Nanopartikel dafür sorgen, dass die Partikel sichentweder zusammenlagern oder sehr stark an der

Matrix bzw. in der Beschichtung haften. Beim Um -gang mit Nanopartikeln in flüssigen Phasen ist alsodie potenzielle Gefährdung generell geringer, vorallem dann, wenn z. B. die Nanolacke unter indus-triellen Bedingungen verarbeitet werden.

Um das toxikologische Gefährdungspotenzial neuerNanomaterialien genauer zu bestimmen sind sowohlauf europäischer als auch auf nationaler Ebene vieleAktivitäten und Projekte initiiert worden, z. B. Nano-Safe (www.nanosafe.org) und NanoCare (www.nanopar-tikel.info/main.html).

Einen Überblick erhalten Sie auf der hessischen Infor-mationsplattform Nano-Risiken – zum ver antwor-tungsbewussten Umgang mit Nanomaterialien unterwww.nanoportal-hessen.de/infoplattform-nanorisiken so -wie in der Informationsbroschüre „NanoKommuni-kation – Leitfaden zur Kommunikation von Chancenund Risiken der Nanotechnologien für kleine undmittelständische Unternehmen in Hessen“ der Ak -tionslinie Hessen-Nanotech.

Abbildung 38:

Gefährdungspotenziale

verschiedener Nano -

partikel [Gibbs 2005]

5.2 Sicherheitsaspekte von Nanomaterialien

Charakteristika

Potenzielle Gefahren

Hoch

Mittel

Gering

Geringe Tendenz zur Agglomeration

Hinweis auf Mobilität/neg. Wirkung in Umwelt

Bulkmaterial ist toxisch

Hinweis auf toxische Wirkung

Nano reaktiver als Bulk

Nicht biodegradierbar

Einfache Reinigbarkeit/Charakterisierung

Hinweis auf Mobilität/neg. Wirkung im Körper

Wic

htun

g

5%

10%

5%

35%

15%

10%

10%

10%

MW

NT

TiO

2

Nan

o-C

lay

Nan

o-P

harm

a

ZnO

Den

dri

mer

e

Fulle

rene

nein

ja

evtl.

Cd

S

SWN

T

Nano-Clay: ein Schichtsilikat

Bulk: z. B. ein Festkörper

54

NT werden auch einen wichtigen und dauerhaftenBeitrag für eine umweltgerechte Produktion leisten:Dort, wo der Material- und Energieverbrauch mini-miert oder deren Einsatz effizienter gestaltet werdenkann, werden Kosten reduziert und die Umweltgeschont. Das „Green Manufacturing“ (siehe EPA2005) kann durch neue Produktionsverfahren mit NT unterstützt werden. So können – sowohl durchumweltfreundliche Produktionsverfahren (Top-Downoder Bottom-Up, siehe Kapitel 2) als auch durchFunktionalitäten von Nanomaterialien – die Material-und Energieeffizienz gesteigert, Lösungsmittel redu-ziert, Abfälle vermieden oder minimiert sowie gefähr-liche Stoffe und Substanzen substituiert werden.

Die Beträge zur Materialeffizienz haben eine beson-ders große Hebelwirkung: So liegen z. B. die Material-kosten in der Industrie bei ca. 50 % und steigen in derMaschinenbauindustrie mit schlanken Produktions-strukturen und hohem Outsourcing bis auf 90 %, d. h.1 % Einsparung an Material bringt genauso viel Gewinnwie eine Umsatzsteigerung um 20 % [Urban 2004].

Neue Anwendungen wie nanokeramische Haft-grund- und Konversionsbeschichtungen ermögli-chen nicht nur einen geringeren Lackeinsatz auf-grund dünnerer Schichtdicken (Materialeinsparung).Durch das neue Verfahren werden Schwermetalle,die in den Schlämmen anfallen, substituiert und derCSB-Wert reduziert. Die erzielte Verlängerung derStandzeit der Prozesse führt zu einer effizienterenAuslastung. „Nebenbei“ werden so auch Kostengespart (siehe Abbildung 39).

Ein weiteres Beispiel für umweltfreundliche Lackesind chromatfreie Nano-Klarlacke, z. B. die Hybrid-polymere, die auf dem Sol-Gel-Verfahren basieren(siehe Kapitel 2.2.2). In einer Untersuchung wurdensie mit 1- und 2-Komponenten-Klarlacken (konven-tionelle Lacke) sowie Wasser- und Pulver-Klarlacken

verglichen [Steinfeldt 2004]. Tabelle 11 zeigt diepositiven Umwelteffekte des Nano-Klarlacks gegen-über konventionellen Lacken. So ist die Schichtdickedeutlich geringer, es entfällt ein Beschichtungs-schritt und die Vorbehandlung mit Chromsäure.

Tabelle 11: Vergleich von konventionellen Schichtsystemen

und Nanolacken für den Korrosionsschutz von Aluminium

[Steinfeldt 2004]

Die Analysen zeigen, dass das Nano-Klarlacksystem(Herstellung, Applikation, Nutzung) gegenüber kon-ventionellen Lacken ein vergleichsweise geringeresTreibhaus-, Versauerungs- und Eutrophierungspo-tenzial hat. Zudem wird der Lackverbrauch pro Flä-che deutlich reduziert, wie Abbildung 40 zeigt.

KONVENTIONEL-LES LACKIEREN MITCHROMATIERUNG

VERWENDENEINES NANO-LACKES

Einsatz-stoff

Vorbehandlung Chromsäure(toxisch)

Silane als Vor-stufen für nano -skalige an or -ganisch-organi-sche Hybrid-polymere

Schicht-dicke(Lack)

50–100 μm 5–10 μm

Arbeitsschritte

Grundierung + Lack Eine Schicht ist ausreichend

5.3 Nachhaltigkeit durch Nanotechnologien

250.000

150.000

50.000

0

100.000

200.00024.000

66.200

143.926

12.143

herkömmliches VerfahrenEuro / Jahr

6.00016.300

180.960

6.790

Bonderite NTEuro / Jahr

EntsorgungReinigungLaufender BetriebAnsatz

Abbildung 39:

Kosteneinsparung

im Korrosionsschutz

durch NT: Bonderite NT

[Schönherr 2006]

Abbildung 40:

Umweltrelevante Verbrauchsmengen für

unterschiedliche Lack systeme [Steinfeldt 2004]*

020406080

100120

140160180

1 K CC

[g]

2 K CC Wasser CC Pulver CC Nanolack

WasserLösemittel

Additive Bindemittel / HärtersystemChromatierung

* Lack und Chromatie-

rungsmengen in g / m²

lackierter Aluminium-

Automobilfläche.

1K bzw. 2K: 1- bzw.

2-Komponenten;

CC: Clearcoat=Klarlack

55

Eine wesentliche Entscheidungshilfe für Unterneh-men, ob sich der Einsatz von NT für ihre Produktionlohnt, sind neben den Verbesserungen von Produk-tionsprozessen natürlich Antworten auf die Fragemit welchen zusätzlichen Kosten ein Anwender vonNanomaterialien rechnen muss.

Viele Nanomaterialien werden großtechnisch schonseit Jahrzehnten hergestellt und haben aufgrundihrer moderaten Kosten bereits Eingang in viele Pro-dukte gefunden. Einen Kostenvergleich von klassi-schen (Ruß, Carbon Black) und neuen Nanomateria-lien (z. B. CNT) zeigt Abbildung 41. Dabei zeigt sich,dass aufgrund der noch geringen Marktgröße einigeNanomaterialien für eine weitreichende industrielleNutzung noch deutlich zu teuer sind.

Die angeführten Preisbereiche werden durch dieNanoskaligkeit der Materialien bestimmt, am oberenEnde sind die besonders reinen und kleinen Partikelbzw. Fasern zu finden, am unteren Ende sind die Par-tikel teilweise agglomeriert oder enthalten z. B. nochKatalysatorreste aus dem Herstellprozess (z. B. beieinwandigen Kohlenstoffnanoröhren SWNT).

Die Kosten der Nanomaterialien sind natürlich direktmit den Marktgrößen und Produktionskapazitätenverknüpft, steigen die Produktionskapazitäten, sosinken natürlich auch die Materialkosten. AktuelleEntwicklungen wie z. B. ein neuer Syntheseprozessfür CNT der Firma Bayer werden allerdings die Kos-ten deutlich senken können.

Ein interessantes Internetportal zu Bezugsquellenvon Nanomaterialien (im wesentlichen Nanopartikel)findet sich unter www.nanowerk.com bzw. auchwww.nanoproducts.de

Für die Anwendung von Nanomaterialien sindjedoch die Kosten der Materialien selbst oft nureiner von vielen Faktoren. So ist beispielsweise dieAnwendung von Nanoschichten (dünne Schichten,wenig Materialeinsatz) oft in der Gesamtsicht deut-lich wirtschaftlicher, sofern ein Leistungsvorteil zuvergleichsweise dicken Schichten klassischer Mate-rialien vorliegt. Beispielsweise liegen die Material-kosten eines 5 µm dicken Hybridpolymers zur Kratz-festveredelung von Polymeren oder zum Korro sions-schutz von Metallen pro m2 lediglich in der Größenordnung von 0,5 bis 1,5 Euro.

5.4 Kosten- und Wirtschaftlichkeitsaspekte von Nanomaterialien

Ruße

0,1 1 10 100 1000 10Tsd.

100Tsd.

1Mio.

10Mio.

Organische Blockcopolymere

Kieselsäuren (SiO2)

Schichtsilikate-modifiziert

Zirkonoxid

Eisenoxidpigmente

Silber

Aluminiumoxid

Kohlenstoff-Nanofasern

Zinkoxid

Titandioxid

Stahl mit Nanokörnern

Titan

ITO

Aluminium

Cer-Oxid

Bor-Nanodrähte

POSS (Polysilsesquioxane)

C60-Fullerene

MWNT

Dendrimere

SWNT

Preis €/kg

Abbildung 41:

Preisbereiche verschiedener Nanomaterialien

[Dubois 2005 und eigene Recherchen]

56

Es muss daher immer mit den Systemkosten kalku-liert werden, nicht mit den Einzelkosten der Mate-rialien. Generell gilt allerdings: Je weniger Nano-material eine Anwendung benötigt, umso wirt-schaftlicher ist diese. Daher haben sich z. B. Anwen-dungen, die Formkörper aus Nanopulvern herstel-len (Metalle, Keramiken) bislang weniger durchge-setzt als Schichtanwendungen.

Für die Hersteller von Nanomaterialien gelten dieseAspekte in modifizierter Form ebenfalls. Wer nurNanomaterialien herstellt (Pulver, Lacke), wird Pro-bleme haben damit große Margen zu erzielen, da dieHauptwertschöpfung bei der Herstellung von Halb-zeugen bzw. im Gesamtsystem liegt. Es ist daherwichtig, dieser so genannten „Nano-Falle“ zu entge-hen, indem ein NT-Anbieter immer schon auch Wert-schöpfung durch Systemintegration (vertikale oderDown - stream-Integration) ge ne riert, also nicht nurNano partikel oder Nanolacke anbietet, sondern z. B.beschichtete Halb zeuge unter Verwendung von NTanbietet.

5.5 NT: Kontakte und Stellen für Innovationsberatungsowie Anbieter und Anwender in Hessen

Für weitere Fragen, Suche nach Experten und Tech-nologiepartnern oder der Unterstützung bei derUmsetzung von NT in Unternehmen und Anwen-dungen gibt es in Hessen mit der Aktionslinie „Hessen-Nanotech“ des Hessischen Wirtschaftsmi-nisteriums (www.hessen-nanotech.de) einen zentralenAnsprech partner. Hier werden die hessenweitenwirtschafts- und technologiebezogenen Aktivitätenin den NT und den materialbasierten Technologiengebündelt und koordiniert (Kontaktadressen findenSie im Anhang).

Informationen zu Nanotechnologie-Anbietern und -Anwendern in Hessen finden Sie unter www.hessen-nanotech.de

57

aAktionslinie Hessen-Nanotech

a Nanotechnologien im Automobil – Innovations- potenziale in Hessen für die Automobil- undZuliefer-Industrie Nano & Micro Technology Consulting (NMTC) und INPRO Innovationsgesellschaft für fortgeschrittene Produktionssysteme in derFahrzeugindustrie, Wiesbaden 2006(Download unter www.nanoportal-hessen.de/knowhow/publikationen-1)

a NanoKommunikation – Leitfaden zur Kommu -nikation von Chancen und Risiken der Nano-technologien für kleine und mittelständischeUnternehmen in Hessen Stiftung Risiko-Dialog, St. Gallen /Winthertur,Wiesbaden 2006(Download unter www.nanoportal-hessen.de/knowhow/publikationen-1)

a NanoMedizin – Innovationspotentiale für Hessen in der Medizintechnik und Pharma zeutische Industrie VDI Technologiezentrum, Wiesbaden 2006(Download unter www.nanoportal-hessen.de/knowhow/publikationen-1)

a Einsatz von Nanotechnologie in der hessischen Umwelttechnologie – Innovationspotentiale für UnternehmenFraunhofer IAO, Wiesbaden 2005(Download unter www.nanoportal-hessen.de/knowhow/publikationen-1)

a BMBFNano-Initiative: Aktionsplan 2010BMBF November 2006

a BSIStudie NanotechnologieBundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (2006)www.bsi.bund.de

a Colbert D.Single-wall nanotubes: a new option for con-ductive plastics and engineering polymersPlastics Additives & Compounding (2003)

a DegussaTanz im magischen Dreieck: Winzige Ruß-partikel machen Reifen leistungsfähigerDegussa Presseinformation Nr. 3, 15. Juni 2004

a DTINanomat: Nanomaterials manufacture andapplications – a mission to Finland, Germanyand Switzerland Report of a DTI (Department of Trade and Industry) Global Watch Mission April 2005

a Dubois L.H.Nanotechnology today: the reality and the promiseSRI-Internation, Pres. 1st Ann. Conf. IEEE SF BayArena NT Council May 18th, 2005

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a Farbe & LackNanotechnologieSupplement Farbe & Lack März 2006 (2006)112 1-11

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Hyperlink auf die Webseite mit den wichtigsten Studien zum Download:www.hessen-nanotech.de

61

Regionale Aktivitäten und Netzwerke

Im Jahr 2005 startete das Hessische Ministerium fürWirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung die Akti-onslinie Hessen-Nanotech. Mit der Aktionslinie Hes-sen-Nanotech werden die hessenweiten wirtschafts-und technologiebezogenen Aktivitäten in den Nano-technologien und den materialbasierten Technolo-gien gebündelt und koordiniert.

Ziel der Aktionslinie ist es, die hessischen Kompe-tenzen in der Nanotechnologie und in den angren-zenden Technologiebereichen wie der Material- undOberflächentechnologie, Mikrosystemtechnologieund Optische Technologien national sowie auchinternational darzustellen. Durch Technologie- undStandortmarketing sowie der Förderung der Netz-werkbildung, soll die internationale Wettbewerbs-fähigkeit und Innovationskraft der hessischen Wis-senschaft und Wirtschaft gestärkt werden.

Die Aktionslinie Hessen-Nanotech unterstützt dabeiinsbesondere auch die Vernetzung von Technolo-gie-Anbietern und -An wendern. Im besonderenFokus stehen die in Hessen stark ausgeprägtenAnwendungsbereiche Automobil, Chemie, Pharma,Biotechnologie und Medizintechnik, Umwelt undEnergie sowie Informations- und Kommunikations-technologie.

An den Schnittstellen zu den Nanowissenschaftenarbeitet die Aktionslinie Hessen-Nanotech mit demNanoNetzwerkHessen der hessischen Hochschulenzusammen. Projektträger der Aktionslinie Hessen-Nanotech des Hessischen Wirtschaftsministeriumsist die landes eigene HA Hessen Agentur.

7 Anhang – Kontakte, Adressen und Profile

KONTAKTwww.hessen-nanotech.de

a Hessisches Ministerium für Wirtschaft,Verkehr und LandesentwicklungSebastian HummelKaiser-Friedrich-Ring 7565185 WiesbadenTelefon 0611 815-2471Telefax 0611 815-492471sebastian.hummel@hmwvl.hessen.dewww.wirtschaft.hessen.de

a HA Hessen Agentur GmbHAktionslinie Hessen-NanotechAlexander Bracht (Leiter)Markus LämmerAbraham-Lincoln-Straße 38 –4265189 WiesbadenTelefon 0611 774-8614oder 0611 774-8664Telefax 0611 [email protected]


NanotechHessen

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Das NanoNetzwerkHessen (NNH) wurde mit Unter-stützung der Hessischen Landesregierung von denfünf Universitäten und den fünf Fachhochschulendes Landes im März 2004 etabliert, um auf derGrundlage einer Kooperationsvereinbarung eineenge innovationsorientierte Zusammenarbeit imBereich der Nanowissenschaften zu starten. Die Ini-tiative NNH zielt darauf ab, die vorhandenen Kom-petenzen an hessischen Hochschulen zu bündeln,Kooperationen zu initiieren und den Nanotechnolo-gie-Standort Hessen weiter auszubauen. Koordina-tor des NanoNetzwerkHessen ist die Universität Kassel. Forscherinnen und Forscher aus den Diszi p-linen Physik, Chemie, Biologie, Pharmazie, Medizin,Materialwissenschaften und den verschiedenstenFächern der Ingenieur- und sogar Geisteswissen-schaften arbeiten an hessischen Hochschulen aufGebieten der Nanowissenschaften. Gerade dieseDurchdringung klassischer Disziplinen verstärktganz wesentlich das Innovationspotenzial dieserWissenschaft und bietet in Hessen ausgezeichneteAusgangsbedingungen für Kooperationen. DieTechnologien, die heute an hessischen Hochschu-len vertreten sind, sind breit gefächert und reichenvon nanoskaligen und nanostrukturierten Werkstof-fen, Nanosystemtechnik über Nano medizin, Nano- materialchemie, Nanobiotechnologie bis hin zurNanoanalytik. Forschungs- und Entwicklungsaufga-ben in diesen Feldern bereits im vorwettbewerbli-chen Bereich gemeinsam mit Wissenschaftlern, Ent-wicklern und Anwendern zu betreiben und damitAkteure, Ressourcen und Aktivitäten zusammenzu-führen, eröffnet den Netzwerkpartnern nicht nur dieErschließung komplementärer Ressourcen, sondernverbindet auch Wissenschaft deutlicher als bishermit wirtschaftlicher Anwendung und trägt damit zueiner schnelleren Umsetzung von nanotechnologi-schem Wissen in Produkte, Produktionsverfahrenund Dienstleistungen bei.

Im TechnologieTransferNetzwerk (TTN-Hessen)haben sich seit 2001 die hessischen Hochschulenund die führenden Wirtschaftsverbände zusammen-geschlossen, um das vorhandene Angebot zur För-derung des Wissens- und Technologietransfers mit-einander zu vernetzen und mittelständischen Unter-nehmen den Zugang zum wissenschaftlichen undtechnologischen Potenzial der Hochschulen undForschungseinrichtungen zu erleichtern. Um diesesZiel gerade im Bereich der Nanotechnologie umset-zen zu können, arbeitet das TTN-Hessen eng mit sei-nen Netzwerkpartnern sowie den Aktionslinien Hes-sen-Nanotech und Hessen-Biotech zusammen. Typi-sche Beispiele für diese Zusammenarbeit sindgemeinsam durchgeführte Unternehmensbefragun-gen und technologieorientierte Veranstaltungen.Bei der IHK-Innovationsberatung Hessen in Darm-stadt, Gießen, Fulda, Kassel und Offenbach wurdenregionale Beratungsstellen für Technologietransfereingerichtet. Sie haben die Aufgabe, aktiv auf dieUnternehmen zuzugehen und Hilfestellung beimZugang zum anwendungsorientierten Know-howder Hochschulen anzubieten. Begleitend steht unterwww.ttn-hessen.de eine gemeinsame Plattform zurVermarktung von Kooperationsangeboten derHochschulen zur Verfügung. Unter dem Dach desTTN-Hessen haben sich die hessischen Hochschulenzur gemeinsamen Patent-VerwertungsoffensiveHIPO zusammengeschlossen. Sie betreut Erfinderbei Schutzrechtsanmeldungen und Verwertungs-verträgen auch auf dem Gebiet der Nanotechnolo-gie. Das TTN-Hessen wird unterstützt und kofinan-ziert durch die hessischen Ministerien für Wirtschaftund für Wissenschaft, die HA Hessen Agentur GmbH(Geschäftsstelle), die Arbeitsgemeinschaft hessi-scher IHKs und den Europäischen Sozialfonds (ESF).

KONTAKTwww.nanonetzwerkhessen.de

a Dr. Beatrix Kohnke(Leitung der Geschäftsstelle)Sebastian Kübler (Projektmanager)Mönchebergstraße 1934109 KasselTelefon 0561 804-2219 oder 0561 804-2018Telefax 0561 [email protected]

KONTAKTwww.ttn-hessen.de

a HA Hessen Agentur GmbHDr. Claudia MännickeProjektkoordinationAbraham-Lincoln-Straße 38 –4265189 WiesbadenTelefon 0611 774-8691Telefax 0611 [email protected]

TTNHessen

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Seit Anfang der 80er Jahre bieten die hessischenIndustrie- und Handelskammern einen besonderen,kostenfreien Service, um Unternehmen bei ihrenInnovationsanstrengungen zu unterstützen: die IHK-Innovationsberatung Hessen. In einer Zeit, in derTechnologie- und Marktveränderungen immer kür-zere Innovationszyklen vorgeben, bietet das Kom-petenzzentrum insbesondere kleinen und mittel-ständischen Unternehmen seinen unternehmens-und praxisnahen Service an. Die IHK-Innovationsbe-ratung ist neutraler Informationsmakler und beglei-tet aktiv die Vernetzung und Clusterbildung vontechnologieorientierten Unternehmen und For-schung. Neben konkreten Innovationshilfen, wie bei-spielsweise einer individuellen Beratung sowiePublikationen, fördern die hessischen IHKs denintensiven Austausch zwischen Vertretern aus Wirt-schaft, Wissenschaft und Politik durch technologie-und branchenorientierte Veranstaltungen. Einbesonderer Fokus liegt seit 2004 auf der Nanotech-nologie und deren Potenziale für die Wirtschaft. Sowurde gemeinsam mit den regionalen Beratungs-stellen des TechnologieTransferNetzwerk Hessenund dem Wirtschaftsministerium eine Veranstal-tungsreihe aufgelegt, welche die Einsatz- undAnwendungsmöglichkeiten der Nanotechnologie inverschiedenen Branchen näher beleuchtet. Die The-men gehen von „Nanotechnologie im Auto von mor-gen“ über „Nanotechnologie in der Medizintechnik“bis hin zur „Nano-Elektronik“ und „Nano-Oberflä-chentechnik“.

HIPO – Professionelle Patentverwertung in Hessen.2002 hat die Landesregierung eine Patentinitiativegestartet, um zum einen Erfindungen und Schutz-rechtsanmeldungen an Hochschulen zu fördern undzum anderen den Transfer wissenschaftlicherErkenntnisse in die wirtschaftliche Praxis zu steigern.Zu diesem Zweck wurde gemeinsam mit den Hoch-schulen das Projekt HIPO (Hessische Intellectual Pro-perty Offensive) ins Leben gerufen. Dahinter ver-birgt sich ein Verbund der drei Patent- und Verwer-tungsagenturen INNOVECTIS GmbH (Frankfurt),TransMIT GmbH (Gießen) und GINo GmbH (Kassel).Diese übernehmen nicht nur die Bewertung und denSchutz, sondern auch die Vermarktung der For-schungsergebnisse aus den Hochschulen – so auchaus dem Bereich der Nanotechnologie.

KONTAKTwww.itb-hessen.de

a IHK-Innovationsberatung HessenDetlev OsterlohBörsenplatz 460313 Frankfurt am MainTelefon 069 2197-1219Telefax 069 [email protected]

KONTAKTwww.hipo-online.net

a TransMIT, Gesellschaft für Technologietransfer mbH, Gießen

Dr. Peter StumpfKerkrader Straße 335394 GießenTelefon 0641 94364 -12Telefax 0641 94364 [email protected]

a INNOVECTIS, Gesellschaft für innovative Technologien und FuE-Dienstleistungen der Johann Wolfgang Goethe-UniversitätFrankfurt am Main mbH

Dr. Otmar SchöllerSenckenberganlage 3160054 Frankfurt am MainTelefon 069 798 -29722Telefax 069 798 [email protected]

a GINo, Gesellschaft für Innovation Nordhessen mbH

Dr. Heike KrömkerGottschalkstraße 2234127 KasselTelefon 0561 804 -1984Telefax 0561 804 [email protected]

hipo hessische intellectual

property offensive

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Profile

Im Anwendungszentrum Metallformgebung (AWZ)als Schnittstelle zwischen Wissenschaft und Wirt-schaft verbessern metallverarbeitende Unterneh-men ihre Produkte und Prozesse in der Fertigungdurch innovative Verfahren, mit denen kostengüns-tiger, schneller und qualitativ hochwertiger produ-ziert werden kann.

Das AWZ ist eine Einrichtung der Transfer-Gesell-schaft der Universität Kassel (UNIK Transfer GmbH)und wird vom Land Hessen mit EFRE-Strukturfond-mitteln gefördert. Es ist mit einem breiten Spektrumindustrietypischer Prozesstechnologie und mo -derns ter Fertigungsmesstechnik ausgestattet. Aufdieser Basis führen Ingenieure und Techniker mitberatender Unterstützung von Experten im Bereichder Umform- und Zerspanungstechnik Projekte mitdem ganzheitlichen Gestaltungsanspruch von derIdee bis zur Serienreife unter industriellen und damitmarktkonformen Gesichtspunkten durch.

Zentraler Erfolgsfaktor ist die Integration von Pro-duktgestaltung, Prozessgestaltung und Prozessma-nagement. Deren informationstechnische Vernet-zung ist dabei Schlüssel für ein zeit- und kostenopti-miertes Fertigungslayout. Hierzu wurde in Koopera-tion mit der FEMUTEC Ingenieurgesellschaft mbHam Standort des AWZ in Baunatal ein Kompetenz-zentrum für virtuelle Produkt- und Prozessentwick-lung eingerichtet. Ab September 2007 steht demAWZ ein Neubau mit einer Nutzfläche von 1.700 m2

mit Technikum, Prüflabor, Werkstatt und Büroräu-men zur Verfügung.

Die wissenschaftlich-technische Leitung des AWZliegt bei Prof. Dr. Kurt Steinhoff, Lehrstuhl für Um -formtechnik, Fachbereich Maschinenbau der Uni-versität Kassel und Sprecher des DFG-Sonderfor-schungsbereichs TRR 30 „Prozessintegrierte Herstel-lung funktional gradierter Strukturen auf der Grund-lage thermo-mechanisch gekoppelter Phänomene“.

Ein Projektbeispiel aus dem AWZ ist die „Warmum-formung mit Nanobeschichtung“. Sie ist das Ergeb-nis einer neuartigen Entwicklung, die maßgeblichauf der Kompetenz des AWZ aufbaut. Die weltweitneue Technologie wird erstmals in der laufendenSerienfertigung des neuen Volkswagen Passat ein-gesetzt.

In einem Projektkon sortium mit der Volkswagen AG,ThyssenKrupp Steel, der DOC Dortmunder Oberflä-chencentrum GmbH und der Universität Kasselwurde ein Verfahren entwickelt, das die bei einerWarmformgebung von Stahl auftretende Verzunde-rung mit Hilfe einer Nanokompositbeschichtung ver-hindert. Dabei musste der komplexe Funktio nalitäts-mix bestehend aus Verzunderungsschutz, verbes-serten Schmierungseigenschaften, Schweißbarkeit,Lackierbarkeit und nicht zuletzt auch dem Langzeit-korrosionsschutz berücksichtigt werden.

Die Entwicklung konnte unter Einbeziehung allerinnerhalb der Prozesskette von der Vormaterialher-stellung beim Stahlhersteller bis zur Anwendung inden Produktionslinien der Automobilherstellung auf-tretenden Applikationsfragestellungen in Re kordzeitvon sechs Monaten zur Serienreife gebracht werden.

Anwendungszentrum Metallformgebung – Forschungs- und Entwicklungskompetenz von der Idee bis zur Serienreife

KONTAKTwww.awz-metall.de

a Anwendungszentrum MetallformgebungUNIK Transfer GmbHGottschalkstraße 22, 34109 KasselTelefon 0561 804-2705Telefax 0561 [email protected]

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Das Institut für Produktionsmanagement, Technolo-gie und Werkzeugmaschinen (PTW) der Techni-schen Universität Darmstadt (TUD) gilt als ausge-wiesener Experte im Bereich der spanenden Ferti-gungstechnik und Produktionsorganisation. Effizien teBearbeitungstechnologien wie bspw. die Hochge-schwindigkeitsbearbeitung, neuartige Maschinen-konzepte und moderne Ansätze wie schlanke Pro-duktionssysteme stehen in einer langen For-schungstradition am PTW. In zahlreichen Industrie-kooperationsprojekten werden diese Forschungs-ergebnisse unmittelbar in die Praxis übertragen undfür spezifische Anforderungen der Unternehmenindividuell angepasst.

So gelingt es heute der TU Darmstadt mit Hilfe derErkenntnisse aus dem Bereich der NanotechnologieBeschichtungen für Werkzeuge herzustellen, die dasVerschleiß- und Reibverhalten sowie die Schnitt-kräfte optimieren. Vor allem moderne Multilayer undNanocomposit-Schichtsysteme ermöglichen gezielt,bestimmte Eigenschaften des Werkzeugs einzustel-len und auf die Zerspanaufgabe anzupassen. Damitsteigern Unternehmen nicht nur die Effizienz undQualität ihrer Fertigung, sondern können auch aufKühlschmierstoffe weitestgehend verzichten unddamit einen aktiven Beitrag zum Umweltschutz inder Produktion leisten. Im Bereich der schlankenProduktionsorganisation errichtet das PTW das

Center für industrielle Produktivität (CiP), eine Pro-zesslernfabrik, in der Studenten und Mitarbeiter ausUnternehmen die Methoden des Lean Manufactu-ring erlernen und anwenden können. Auf einer Hal-lenfläche von 500m2 wird eine praxisnahe Produkti-onsumgebung mit realen Produkten und einer voll-ständigen Prozesskette aufgebaut, in der die Prinzi-pien und Methoden der modernen, prozessorien-tierten Produktionsoptimierung vermittelt werden.Durch diese in Deutschland einzigartige Plattformzur Vermittlung der Methoden der schlanken Pro-duktion wird die Bedeutung von Deutschland alsProduktions- und Innovationsstandort nachhaltiggestärkt und langfristig ausgebaut. Vor allem durchdie enge Verbindung von Theorie und Praxis gelingtdem PTW eine erfolgreiche Umsetzung von For-schungsprojekten und Innovationen in die indus-trielle Praxis und gewährleistet damit den nachhalti-gen Wissenstransfer zwischen Forschung und Pra-xis. Um von den vielfältigen Aktivitäten zu profitie-ren bietet das PTW zahlreiche Austausch- undKooperationsmöglichkeiten an, beginnend mit ver-schiedenen Seminaren undAustauschforen über bilate -rale Kooperationsprojektebis hin zu mehrjährigengemeinsamen Forschungs-projekten mit Unterstüt-zung der Förderinstitutio-nen des Landes Hessen,der Bundesrepublik undder Europäischen Gemein-schaft.

PTW – Institut für Produktionsmanagement, Technologie und WerkzeugmaschinenTechnische Universität Darmstadt

KONTAKTwww.ptw.tu-darmstadt.de

a Institut für Produktionsmanagement,Technologie und Werkzeugmaschinen (PTW)Technische Universität DarmstadtPetersenstraße 3064287 Darmstadtwww.prozesslernfabrik.de

CrAIYN-beschichteter

Bohrer mit Detail

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aMaterials Valley e.V.c/o Heraeus Holding GmbHHeraeusstraße 12-1463450 HanauTelefon 06181 355118www.materials-valley-rheinmain.de

aMaterialforschungsverbundRhein-Main (MatFoRM)Magdalenenstraße 4 64289 Darmstadt Telefon 06151 16-3362 www.matform.tu-darmstadt.de

aMikrosystemtechnik-Netzwerk Rhein-Main e.V.Geschäftsstellec/o IHK DarmstadtRheinstraße 8964295 DarmstadtTelefon 06151 871-284Telefax 06151 [email protected]

a Optence e.V.Ober-Saulheimer-Straße 655286 WörrstadtTelefon 06732 [email protected]

aWasserstoff- und Brenn-stoffzellen-Initiative HessenGeschäftsstelle HA Hessen Agentur GmbHAbraham-Lincoln-Straße 38–4265189 Wiesbaden Telefon 0611 774-8648Telefax 0611 [email protected]

InitiativeHessen

Weitere Netzwerke

Atlas Kompetenz- und InfrastrukturatlasNanotechnologien in Hessen

Competence and Infrastructure Atlas Nanotechnologies in Hessen

Atlas Kompetenzatlas Photonik in Hessen

Competence Atlas Photonics in Hessen

Band 1 Einsatz von Nanotechnologie in der hessischen UmwelttechnologieInnovationspotenziale für Unternehmen

Uses of Nanotechnology in Environmental Technology in HessenInnovation potentials for companies

Band 2 NanomedizinInnovationspotenziale in Hessen für Medizin technik und Pharmazeutische Industrie

Band 3 Nanotechnologie im Auto Innovationspotenziale in Hessen für die Automobil- und Zuliefer-Industrie

Nanotechnologies in AutomobilesInnovation Potentials in Hesse for the Automotive Industry and its Subcontractors

Band 4 NanoKommunikationLeitfaden zur Kommunikation von Chancen und Risiken der Nanotechno logien für kleine und mittelständische Unternehmen in Hessen

Supplement zum Leitfaden NanoKommunikationInnovationsfördernde Good-Practice-Ansätze zum verantwortlichen Umgang mit Nanomaterialien

Band 5 Nanotechnologien für die optische IndustrieGrundlage für zukünftige Innovationen in Hessen

Band 6 NanoProduktionInnovationspotenziale für hessische Unternehmen durch Nanotechnologien im Produktionsprozess

Band 7 Einsatz von Nanotechnologien in Architektur und Bauwesen

Band 8 NanoNormungNormung im Bereich der Nanotechno logien als Chance für hessische Unternehmen

Band 9 Einsatz von Nanotechnologien im Energiesektor

Nanotechnology Applications in the Energy Sector

Band 10 Werkstoffinnovationen aus Hessen Potenziale für Unternehmen

Band 11 Sichere Verwendung von Nanomaterialien in der Lack- und FarbenbrancheEin Betriebsleitfaden

Band 12 Nanotech-KooperationenErfolgreiche Kooperationen für kleine und mittlere Nanotechnologie-Unternehmen

Band 13 Mikro-Nano-Integration Einsatz von Nanotechnologie in der Mikrosystemtechnik

Band 14 Materialeffizienzdurch den Einsatz von Nanotechnologien und neuen Materialien

Band 15 Nanotechnologie in KunststoffInnovationsmotor für Kunststoffe, ihre Verarbeitung und Anwendung

Band 16 NanoAnalytikAnwendung in Forschung und Praxis

Band 17 Nanotechnologie für den Katastrophen-schutz und die Entwicklungszusammenarbeit

Nanotechnologies for emergency management and development cooperation

Band 18 Material formt ProduktInnovations- und Marktchancen erhöhen mit professionellen Kreativen

Materials Shape ProductsIncrease innovation and market opportunities with the help of creative professionals

Band 19 Patentieren von Nanotechnologien

Band 20 Nanotechnologie in der Natur– Bionik im Betrieb

Web-Pub 1 Intelligente Materiallösungen zum Erhalt von Werten

SCHRIFTENREIHE

Informationen / Download / Bestellungen:www.hessen-nanotech.de/veroeffentlichungen

Nanotechnologien im AutomobilInnovationspotenziale in Hessen für die Automobil- und Zuliefer-Industrie



Hessen Nanotech

Hessisches Ministerium für Wirtschaft, Verkehr und Landesentwicklung


Einsatz von Nanotechnologienin Architektur und Bauwesen

Hessen Nanotech



Einsatz von Nanotechnologienim Energiesektor

Hessen Nanotech



Sichere Verwendung von Nano materialien in der Lack- und FarbenbrancheEin Betriebsleitfaden

Hessen Nanotech



Kompetenzatlas Photonik in Hessen

Competence AtlasPhotonic in Hessen

Hessen Nanotech



Hessen Nanotech

Material formt ProduktInnovations- und Marktchancen erhöhen mit professionellen Kreativen

Projektträger der Aktionslinie Hessen-Nanotechdes Hessischen Ministeriums für Wirtschaft,Verkehr und Landesentwicklung

EUROPÄISCHE UNION:Investition in Ihre ZukunftEuropäischer Fonds für regionale Entwicklung

Das Projekt wird kofinanziert ausMitteln der Europäischen Union


www.isc.fraunhofer.de

www.iao.fraunhofer.de

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