CARBON-NANO-TECHNIK

Nanowerkstoffe

Nanopartikel oder Nanoteilchen bezeichnen einen Verbund von wenigen bis einigen tausend Atomen oder Molekülen. Der Name bezieht sich auf ihre Größe, die typischerweise bei 1 bis 100 Nanometern liegt. Ein Nanometer entspricht 10^−9 = 0,000 000 001 Meter. Die Vorsilbe "nano" leitet sich aus dem Griechischen "nanos" für "Zwerg" oder "zwergenhaft" ab.

Nanopartikel können sowohl auf natürlichem Wege (etwa Vulkanausbruch oder Waldbrand) als auch durch anthropogene (vom Menschen verursachte) Einflüsse, wie Kfz- und Industrieabgase, in die Umwelt gelangen.

Synthetische Nanopartikel sind künstlich hergestellte Teilchen, die gezielt mit neuen Eigenschaften und/oder Funktionalitäten ausgestattet sind, wie z. B. elektrische Leitfähigkeit, chemische Reaktivität. Synthetische Nanopartikel können entsprechend ihrer chemischen und physikalischen Eigenschaften untergliedert werden.

Quelle: wikipedia.de + Ingeneurbüro Möller

Fullerene

Die Fullerene sind braun-schwarze Pulver von metallischem Glanz. Sie lösen sich in manchen organischen Lösungsmitteln (z. B. Toluol) unter charakteristischer Färbung. Fullerene gehen bei ca. 400 Â°C vom festen in den gasförmigen Zustand über.

Kohlenstoffnanoröhren

Kohlenstoffnanoröhren bestehen aus zylinderförmigen Graphitlagen und besitzen einen Durchmesser von 1-100 nm. Die Form der Nanoröhren kann einwandig, mehrwandig oder Y-förmig sein. Sie weisen u. a. eine hohe Transportgeschwindigkeit, eine hohe Reißfestigkeit und extreme Elastizität auf, außerdem sind sie sehr strapazierfähig. Sie haben eine 10mal höhere Zugfestigkeit als Stahl. Je nach Detail der Struktur ist die elektrische Eigenschaft innerhalb der Röhre leitend oder halbleitend.

Carbon black

Graphit (eine Form des Kohlenstoffs, neben Diamant und Fulleren) ist die Grundstruktur des Carbon black und ein weiches, schwarz-metallisch glänzendes Material, dass sowohl in natürlicher Form vorkommt, als auch künstlich hergestellt werden kann. Die Kristallstruktur des Graphits besteht aus vielen übereinanderliegenden parallelen Schichten, die in Größe und Anordnung variieren können.

Carbon black ist die englische Bezeichnung für Industrieruß, der unter kontrollierten Bedingungen gezielt hergestellt wird und physikalisch und chemisch definiert ist. Dem gegenüber steht der Kamin- bzw. Dieselruß, der als nicht genau definiertes Nebenprodukt bei der Verbrennung von Kohle bzw. Kohlenwasserstoffen entsteht.

Carbon black besteht zu 96−99 % aus Kohlenstoff, die restlichen Anteile sind Wasserstoff, Sauerstoff, Stickstoff und Schwefel, die größtenteils (in funktionellen Gruppen) an der Oberfläche chemisch gebunden sind. An den Ecken und Kanten der aromatischen Verbindungen ist die Oberflächenenergie am größten, so dass eine Adsorption von Gasen und Flüssigkeiten bevorzugt stattfindet.

Die Oxid-Gruppen auf der Porenoberfläche haben den größten Einfluss auf die physikochemischen Eigenschaften des Carbon blacks, wie die Wasseradsorptionsfähigkeit und katalytische, chemische und elektrische Reaktivität. Hauptsächlich bilden sich dabei basische Hydroxyl-, saure Carboxyl- sowie Carbonyl- und Lacton- Gruppen auf der Oberfläche. Bei der Herstellung von Aktivrußen können dabei funktionelle Sauerstoffgruppen mit einem Massenanteil von bis zu 15 % eingeführt werden.

Quelle: wikipedia.de + Ingenieurbüro Möller

Halbleiter

Halbleiter-Nanopartikel besitzen spezielle Fluoreszenzeigenschaften. Wie bei makroskopischen Halbleitern gibt es eine Bandlücke, d.h. durch optische Anregung können Excitonen (Elektron-Loch-Paare) erzeugt werden, die bei Rekombination Photonen emittieren, d.h. in Form von Fluoreszenz Licht ausstrahlen. Das besondere bei Halbleiternanopartikeln ist, dass die Energie der Photonen (also der Energieabstand von Grundzustand zu angeregtem Zustand) nicht nur vom Material, sondern auch von der Partikelgröße abhängt. Somit lassen sich aus demselben Material Partikel herstellen, die in verschiedenen Farben fluoreszieren, wobei sich die Farbe (Emissionswellenlänge) durch die Partikelgröße einstellen lässt. Kleine Partikel emittieren bei kleinerer Wellenlänge (größerer Photonenenergie), größere Partikel bei größeren Wellenlängen (kleinerer Photonenenergie). Dies ist durch die Quantenmechanik erklärbar ("Teilchen im Kasten"-Modell), sogar im einfachsten Modell wird deutlich, dass durch die räumliche Beschränkung (die Elektronen müssen sich innerhalb des Partikels befinden) der Abstand der Energieniveaus von den räumlichen Dimensionen (d.h. der Partikelgröße) abhängig ist. Solche Systeme werden auch als Quantenpunkt bezeichnet, gängige Materialien sind z.B. CdSe und CdTe. Oxidmaterialen besitzen eine sehr große Bandlücke und sind optisch transparent. Durch Dotierung mit Fremdatomen können sie zur Phosphoreszenz gebracht werden.

Metalle

Gegenüber bisher bekannten Größenordnungen von Metallen, haben metallische Nanopartikel veränderte chemische Eigenschaften auf Grund ihrer geringeren Größe und dem daraus resultierenden sehr hohen Oberflächen-Volumen-Verhältnis, bei z. B. kolloidalem Gold erhöht sich die katalytische Wirkung. Bei sehr kleinen Goldnanopartikeln erniedrigt sich der Schmelzpunkt drastisch. Zudem zeigen Alkalimetall-, Kupfer-, Silber- und Goldnanopartikel andere optische Eigenschaften im Vergleich zu den reinen Metallen. Sie zeigen in Lösung eine breite Absorptionsbande im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums und besitzen somit eine intensive Farbe (charakteristische Farbe von Gold-Kolloiden: rot bis purpurrot). Dieser Effekt wird durch Partikelplasmonen hervorgerufen.

Quelle: wikipedia.de + Ingenieurbüro Möller

Spezialkunststoffe: Polymere mit Nanopartikeln

Die Herstellung von Nanopartikeln auf Basis von molekularen Kohlenstoff (Carbon Nano Tubes) eröffnen neue Verbundwerkstoffe mit dem Trägerwerkstoff Elastomer. CNTs sind Kohlenstoffnanoröhren, d. h. sie sind mikroskopisch kleine röhrenförmige Gebilde (molekulare Nanoröhren) aus Kohlenstoff. Ihre Wände bestehen wie die der Fullerene oder wie die Ebenen des Graphits nur aus Kohlenstoff, wobei die Kohlenstoffatome eine wabenartige Struktur mit Sechsecken und jeweils drei Bindungspartnern einnehmen.

Der Durchmesser der Röhren liegt meist im Bereich von 0.4 bis 50 nm, Längen von mehreren Millimetern für einzelne Röhren und bis zu 20 cm für Röhrenbündel wurden bereits erreicht. Man unterscheidet zwischen ein- und mehrwandigen, zwischen offenen oder geschlossenen Röhren (mit einem Deckel, der einen Ausschnitt aus einer Fullerenstruktur hat) und zwischen leeren und gefüllten Röhren (beispielsweise mit Silber, flüssigem Blei oder Edelgasen).

Quelle: wikipedia.de + Ingenieurbüro Möller

Aktuelle Studien

Beheizbarer Schlauch

In der Anwendung E-Mobilität und Medizintechnik

Ausgehend vom Patent soll die Umsetzung des planaren integrierten Heizlaminats soll nun die Anwendung desselbigen in eindimensional-rotationsförmiger Struktur erfolgen - der Schlauch. Wie in der Patentschrift beschrieben, existieren eine Vielzahl an Anwendungen, in denen ein Medium auf eine gewisse Temperatur gebracht werden muss, bzw. eine gewisse Grenztemperatur nicht unterschritten werden darf, um den (technischen) Nutzen oder den Arbeitspunkt zu erhalten. Des Weiteren gibt es in der Medizin viele Anwendungen, in denen ein Medium auf Körpertemperatur gebracht werden muss, damit das Medium schmerzfrei und wirksam vom Körper aufgenommen werden kann - bspw. Infusion oder Reaktion von zugeführten  Medikamenten.

Die Herausforderungen in dieser Studie sind:

1. Applikation eines transparenten, elektrisch ansteuerbaren und regelbaren Heizlacks oder Beschichtung auf ein Polymer-Röhrchen
2. Elektronik zur gesteuerten oder geregelten Stromführung inkl. Temperaturmessung
3. Anwendungscheck - wird die jeweilige Funktion erfüllt?