Namendo Solutions AG

Nano kommt aus dem Griechischen und bedeutet „Zwerg“. Ein Nanometer (nm) ist der millionste Teil eines Millimeters (10-9 m). Die Wirkung von Nanopartikel auf die Umwelt ist bisher nur unzureichend erforscht, obwohl es Anzeichen gibt, die auf ein Gefahrenpotential hinweisen.

In der nanoskaligen Welt gelten andere Gesetze als in der Makrowelt. Materialien verän-dern in der Nanogröße ihre Eigenschaften – sie haben z.B. einen anderen Schmelzpunkt, eine andere elektrische Leitfähigkeit oder besondere optische Eigenschaften. Sie werden kratzfester, schmutzabweisend oder antibakteriell, schützen vor Korrosion oder Verschleiß u.v.a.m.. Nanooberflächen vermindern die Adhäsionsfähigkeit auf diesen. So verringern diese Strukturen auf Schneidwerkzeugkanten das Ankleben von Werkstoffen. Dadurch erhöht sich deren Standzeit auch unter Schmierstoffreduzierung. Aber auch die geringe Haftfestigkeit von Eis auf solchen Oberflächen soll hier als Beispiel genannt werden.

Der Laser stellt für die Mikromaterialbearbeitung ein etabliertes und überragendes Instrument dar. Bei ihm handelt es sich um ein kontaktloses Werkzeug, das außerdem als einziges nicht das Werkstück kontaminiert. Mikromaterialbearbeitung mit Lasern beruht auf der Wechselwirkung der Photonen mit der Festkörpermaterie. Dabei wird das Material so stark erhitzt, dass es verdampft. Es erfolgt ein Materialabtrag.

Durch den Wärmeeintrag, das Aufschmelzen und die Wärmeleitfähigkeit wird das umgebene Material geschädigt. Bei der Mikromaterialbearbeitung sind diese Schädigungen oft nicht mehr zu tolerieren.

Die nm-Strukturen auf Oberflächen werden zurzeit ausschließlich durch Schichtaufbau (Additivtechnik) realisiert. Dabei werden z.B. Nanopartikel mit Bindemittel (im über-wiegenden Maße mit dem Sol-Gel-Verfahren) oder durch Oxidation auf der Oberfläche befestigt bzw. mit ihr verbunden, wodurch Grenzschichten mit Haftfestigkeitsproblemen sich zwischen den Materialien ausbilden. Diese Prozesse sind nicht nur aufwendig und nicht immer umweltfreundlich (Nanopartikel sind Lungen- und zellgängig, wodurch diese geschädigt werden),

Die Materialumordnung erfolgt athermisch. Dadurch bleiben die Eigenschaften des Tar-getmaterials weitgehend erhalten, was zu neuen Produkten führt. Einerseits waren sie bisher nicht herstellbar, andererseits besitzen sie nun radikal verbesserte Eigenschaften oder/und sind sehr viel vorteilhafter herzustellen.

Zu nennen sind hier die geänderten tribologischen Eigenschaften (Reibung), Effizienzsteigerung von Katalysatoroberflächen, optische Effekte (Antireflexstrukturen, dielektrische Funktion, verlustarme Lichtaus- und Einkopplung), Oberflächenhärtung und anderes mehr.

PLD

Bei der PLD wird das Targetmaterial durch den Laserstrahl verdampft. Es ist ein thermischer Prozess.

Der Dampfstrahl kondensiert auf einem Substrat. Er reißt aber kleine flüssige Material-tropfen (Dropplets) aus der Schmelze heraus und führt sie mit sich. Diese schlagen sich ebenfalls auf dem Substrat nieder, wodurch die entstehende Schicht geschädigt wird. Weitere Nachteile der thermischen Verdampfung sind die Abhängigkeit der Zusammen-setzung des Dampfstrahles von den Materialparametern, wie: Verdampfungstemperatur und -enthalpie, thermische Leitfähigkeit und Dampfdruck. Daher entsprechen die entstehenden Schichten (außer bei monoatomigen Materialien) nicht der Zusammen-setzung des Targetmaterials. Sie besitzen eine andere stöchionometrische Zusammen-setzung; es entsteht also ein anderes Material.

Das Thema ist hochaktuell. 70 bis 80 % aller chemischen Produkte werden mit Hilfe von Katalysatoren erzeugt. Der weltweite Markt für Katalysatoren hat jetzt bereits ein Volu-men von 20 Mrd. $ 4) Katalysatoren bestehen überwiegend aus „edlen“ Metallen. Aber auch deren Oberflächen - und damit ihre Wirkung als Katalysator– passivieren mit der Zeit. Die Wirkung der Katalysatoren beruht auf der Wechselwirkung der Wirkstoffe mit deren Oberfläche. Da diese Metalle teuer sind, werden die Katalysatoren zur Material-einsparung meist als dünne Platten ausgeführt. Noch größere Einsparungen durch größere Oberflächen erreicht man, wenn der Katalysator als dünner Draht vorliegt.

Gold, als widerstandsfähigstes Edelmetall, wirkt in kompakter Form nicht als Katalysator. Neuste Forschungsergebnisse zeigen aber, dass Goldnanopartikel in der Folge von Quanteneffekten sehr gute Katalysatoren darstellen 7, 10). Obwohl Gold (gegenüber Rhodium) viel weniger kostet, ist auch hier eine beträchtliche Einsparung

Allgemein

Reibungsverminderung an Lagern (z.B. Pleuel-, Rad-, Kurbel- und Nockenwellen- usw.) und zwischen Zylinderwandung und Kolben führt zu hohen Kraftstoff- und Schmierstoff-einsparungen. Außerdem wird im hohen Maß der Verschleiß verringert.

Nanometer strukturierte Oberflächen besitzen die Eigenschaft in schnell bewegten Medien (Gase, Flüssigkeiten) unmittelbar auf ihrer Oberfläche aus dem Medium eine mitlaufende Grenzschicht zu bilden. Diese ist ortsfest. Sie führt dazu, dass die Reibung zwischen beiden Partnern gegen Null geht. Vorteil: geringerer Kraftaufwand, geringere Erwärmung der Oberfläche, abrasive Teilchen, die sich in den Medien befinden, können nicht auf die Oberfläche auftreffen (geringerer Verschleiß durch Abrasion).

Implantate, die eine Nanometeroberflächenstruktur aufweisen, haben eine höhere Verschleißfestigkeit 8). Sie sollten sich auch vorteilhaft mit dem Biomaterial haftfest verbinden (künstliche Gelenke [Knie-, Finger-, Hüft- usw.], Zahnersatz und anderes mehr), um Abstoßungsreaktionen zu vermeiden.

Deshalb müssen die Oberflächen der Implantatmaterialien spezielle Eigenschaften aufweisen. Das sind u.a. Oberflächenstrukturen in der Größenordnung der Knochen-zellenfortsätze (Haftstrukturen) und bioaktive Oberflächen. Biologische Zellen müssen, um haftfest anzubinden, mit ihrer Umgebung (hier das Implantat) kommunizieren. Das erfolgt über Elektronenaustausch. Dazu muss die Implantatoberfläche freie Bindungs¬arme aufweisen. Diese erzeugen wir neben der jeweiligen Oberflächenstruktur.

Hierzu ist schon weiter vorn einiges gesagt worden. Wir können auf Oberflächen entsprechende vorteilhafte Strukturen herstellen. Das sind Nanometerstrukturen mit superharten Oberflächen. Sie verhindern bzw. vermindern den Verschleiß und die Reibung bei allen Arten von Lagern (Kugellager, Gleitlager usw.).

Die Nano-Technologie ist auch auf diesem Feld vorteilhaft einzusetzen. Z.B. durch die Herstellung von nm-strukturierten Oberflächen. die für die Produktion von Hochstrom-Bleisuperkondensatoren benötigt werden. Diese können sehr viel Elektroenergie spei¬chern und gleichzeitig hohe elektrische Ströme verkraften. Dadurch kann intermetierend

Die Umwandlung von einer in die andere Energieform ist immer verlustbehaftet. Das trifft aber nicht in dem Maße auf die Direktspeicherung der Elektroenergie zu, welche in einem Kondensator erfolgen kann.

Kondensatoren werden als Energiespeicher in vielfältiger Form in der Elektrotechnik/-Elektronik eingesetzt. Sie werden insbesondere, wegen ihres geringen Innenwidertandes, als gute Stromquellen geschätzt.

Die aktuelle Forschung bei Leistungskondensatoren laufen zurzeit in Richtung so genannter Super Caps. Das sind Doppelschichtkondensatoren. Sie stellen einen Zwitter zwischen Akkumulatoren und Kondensatoren dar. Sie erreichen hohe Kapazitätswerte (Farad), aber haben den ungeheuren Nachteil der geringen Spannungsfestigkeit von nur ca. 2,5 Volt.

Nach Aussage von einem der drei bekannten Entwicklungsteams, für das ich erste Proben geliefert habe, ist mit unserer Technologie hier ein entscheidender Durchbruch bei der Leistungssteigerung zu erwarten.

Kondensatoren liefern hohe Kurzschlussströme, vertragen aber auch hohe Ladeströme, ohne wie Akkumulatoren dabei sich thermisch zu zerstören. Deshalb sehen wir ein sehr großes Anwendungspotential in der automobilen Technik mit Elektromotoren, da hier die Bremsenergie in elektrische Energie zurückgewonnen werden kann, um dann in Kondensatoren gespeichert zu werden. Diese Kondensatoren können beispielsweise in den Schwellern untergebracht werden.