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Was ist Nano?

 

Mit Nanotechnologie (griech. νάννος [nános] = Zwerg) wird heute populärwissenschaftlich die Forschung in der Clusterphysik und Oberflächenphysik, der Halbleiterphysik, in Gebieten der Chemie und bisher noch im sehr begrenzten Rahmen in Teilbereichen des Maschinenbaus bezeichnet. Dieser populärwissenschaftliche Sammelbegriff gründet auf der allen Nano-Forschungsgebieten gleichen Größenordnung vom Einzelatom bis zu einer Strukturgröße von 100 Nanometern (nm). Ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter (10-9 m).

 

Diese Größenordnung bezeichnet einen Grenzbereich, in dem die Oberflächeneigenschaften gegenüber den Volumeneigenschaften der Materialien eine immer größere Rolle spielen und zunehmend quantenphysikalische Effekte berücksichtigt werden müssen.

 

              

 

Schon heute eine wichtige Rolle spielen die Nanomaterialien, die zumeist auf chemischem Wege oder mittels mechanischer Methoden hergestellt werden. Einige davon sind kommerziell verfügbar und werden in handelsüblichen Produkten eingesetzt, andere sind wichtige Modellsysteme für die physikalisch-chemische und materialwissenschaftliche Forschung. Ebenfalls bedeutend ist die Nanoelektronik, deren 'Zugehörigkeit' zur Nanotechnologie in der wissenschaftlichen und forschungspolitischen Praxis aber nicht einheitlich gesehen wird.

 

Eine Entwicklungsrichtung der Nanotechnologie kann als Fortsetzung und Erweiterung der Mikrotechnik angesehen werden ('top-down-Ansatz'), doch erfordert eine weitere  Verkleinerung von Mikrometerstrukturen meist völlig unkonventionelle neue Ansätze. Die Chemie geht in der Nanotechnologie oft den anderen Ansatz: 'bottom-up'. Chemiker, die üblicherweise in molekularen, d.h. sub-nano Dimensionen, arbeiten, bauen aus einer Vielzahl von einzelnen Moleküleinheiten größere nanoskalige Molekülverbunde auf. Ein Beispiel dazu sind Dendrimere.

 

Nur ein kleiner Zweig der Nanotechnologie beschäftigt sich mit Nanomaschinen oder Nanobots.

 

Die Bundesrepublik Deutschland, insbesondere das Saarland, ist auf dem Gebiet der Nanotechnologie weltweit an der Spitze der Forschung intensiv beteiligt.


Zum Vergleich:


Ein Nano-Strukturelement verhält sich in der Größe zu einem Fußball, wie der Fussball zur Erde. Bisher war die Konstruktion in Nanodimensionen eine Domäne der Natur: Seit Jahrmillionen "baut" sie nach diesem bewährten Grundprinzip unsere Welt aus Pflanzen, Tieren und Menschen. Darauf greift jetzt auch die Nano-Technologie zurück.

 

Mit einer Nanobeschichtung modifizierte Glasoberflächen werden mit hydrophoben (wasserabweisenden) und schmutzabweisenden Eigenschaften ausgestattet, um so die selbstreinigenden Eigenschaften zu erzielen. Dazu wird auf eine bestehende, meist eine glatte, nichthydrophobe Oberfläche eine neue Oberflächenschicht aufgebracht. Ein Nanobeschichtung besteht aus mindestens zwei Schichten: Die erste Schicht ist für die Verbindung zwischen der bestehenden Oberfläche und der neuen, nano- oder makrostrukturierten Schicht. Nanobeschichtungen gehen eine physikalische Verbindung mit einer bestehenden Oberfläche ein, wie das z. B. bei einer Tapete der Fall ist.

 Funktionsweise

 

 Die Nanowissenschaft beschäftigt sich mit Objekten, die nur wenige oder wenige Zehn Nanometer groß sind, wobei ein Nanometer einem Milliardstel Meter entspricht. Nanopartikel und Nanostrukturen sind daher nur aus 100 bis 100.000 Atomen oder Molekülen zusammengesetzt und zeigen physikalische und chemische Eigenschaften oder biologische Funktionen, die sich sehr von denen einzelner Atome oder Moleküle beziehungsweise Gegenständen unserer Alltagswelt unterscheiden.

 

              

 

Nicht nur die Lotusblume sondern auch viele andere Pflanzen und Insekten reinigen sich von selbst. Heute ist in vielen Anwendungsgebieten die Übertragung des Wirkprinzips aus der Natur auf technische Oberflächen gelungen. Wissenschaftler haben dabei folgendes festgestellt. Die Oberfläche muss nicht glatt werden, sondern muss nach der Versiegelung eine "raue" Oberfläche aufweisen.

 

Die veredelte Oberfläche reduziert die Kontaktfläche, sodass sich Schmutz nicht festsetzen kann und sich Regenwasser zu Tropfen formt und beim Abperlen den Schmutz größtenteils aufnimmt und entfernt. Die so erzielten selbstreinigenden Eigenschaften reduzieren den Reinigungsaufwand und schützen die Oberfläche nachhaltig unter anderem vor Alterung, aggressiven Umwelteinflüssen und Kalkablagerungen

 

 

Es gibt, je nach Oberfläche, mehrer Arten Versiegelungen.

 

Beispiel 1:

Nanopartikel organisieren sich selbst und gehen zusammen mit der versiegelten Oberfläche eine feste Bindung ein.  Dies passiert zum Beispiel bei Glas und Keramik  Versiegelungen. Danach laufen Flüssigkeiten und Schmutz einfacher von der Oberfläche ab.

 
Beispiel 2:

Bei einer Fassadenversiegelung setzten sich die Nanopartikel auf die Oberfläche der offenen Poren fest. Danach können auch hier Schmutz und Wasser einfacher ablaufen.Die Oberfläche bleibt diffusionsoffen. Pilze, Flechten, Algen und Moos werden beim Wachstum gestört und können somit nicht überleben.

 

Beispiel 3:

Auch Textilien können versiegelt werden. Die Nanopartikel bilden eines richtige Schutzschicht um jede einzelne Faser. Feuchtigkeit und Schmutz können nicht mehr in die Fasern eindringen.

 

Lotuseffekt

                                      

Der Lotuseffekt bezieht sich auf die äußerst geringe Benetzbarkeit und hohe Selbstreinigung biologischer Oberflächen, unter anderem bei der Lotuspflanze. Auf der Blüte und den Blättern wird selbst extrem gut haftendes Farbpulver von Wasser einfach weggespült, nicht einmal Klebstoff auf Wasserbasis bleibt an der Oberfläche haften. Auch andere Pflanzen, wie beispielsweise die Kapuzinerkresse, Kohl, Schilfrohr, Akelei, Tulpe und Banane zeigen diesen Effekt.

Nachdem der Botaniker Prof. Wilhelm Barthlott von der Universität Bonn feststellte, dass manche Pflanzen im Herbarium häufig schmutzig waren, wogegen Individuen anderer Arten während vieler Jahre stets sauber blieben, untersuchte er dieses Phänomen genauer und beschrieb dessen physikochemische Grundlagen zusammen mit C. Neinhuis in den 1990er Jahren.

 

Der Grund liegt in der besonderen Oberflächenstruktur. Diese weist mikroskopisch kleine  Zellerhebungen auf, die wiederum mit noch kleineren Kristallen übersät sind. Diese Doppelstruktur bewirkt einen beeindruckenden physikalischen Effekt – Wassertropfen, die auf das Blatt fallen, formen sich aufgrund ihrer Oberflächenspannung zu einer Kugel zusammen, rollen vom Blatt herunter und nehmen Verschmutzungen gleich mit.

        

Durch die Oberflächenstruktur der Pflanzen werden gegenüber Wasser Kontaktwinkel von  bis zu 160° erreicht (Superhydrophobie). Das bedeutet, dass nur etwa 2 bis 3 % der Tropfenoberfläche mit der Oberfläche der Pflanze in Kontakt stehen, diese also eine extrem geringe Benetzbarkeit besitzt. Die Adhäsion zwischen Blattoberfläche und Wassertropfen ist dabei so gering, dass das Wasser leicht abperlen kann. Aufliegende Schmutzpartikel die ebenfalls nur eine kleine Kontaktfläche besitzen – werden dadurch mitgerissen und weggespült. Durch die zentrale Bedeutung der Oberflächenspannung wässriger Lösungen für die Minimierung der Kontaktfläche wird verständlich, dass der Lotuseffekt in dieser Form nicht bei stark benetzenden Lösungsmitteln auftreten kann.

 

Biologische Bedeutung:

 

Die biologische Bedeutung dieses Effekts liegt für die Pflanze im Schutz vor einer  Besiedlung durch Mikroorganismen, Krankheitserregern oder Keimen, beispielsweise Pilzsporen, oder dem Bewuchs mit Algen. Dies gilt in ähnlicher Weise für Tiere wie  Schmetterlinge, Libellen und andere Insekten, die mit ihren Beinen nicht überall an ihren Körper zum Säubern hinreichen.

 

Anwendung:

 

Es ist mittlerweile gelungen, die Oberflächenstruktur künstlich nachzubilden.Nanoprodukte sind z.B. selbstreinigende Dachziegel und eine selbstreinigende Fassaden. Aus dem  Bereich der Nanotechnologie gibt es mittlerweile Beschichtungen, die superhydrophob sind. Diese Oberflächen sind zwar wasserabweisend, jedoch nicht selbstreinigend, sondern easy- to-clean.