BMBF-Folien_Teil2 Anw-Prod

Präsentationsmaterialien
Reise in den Nanokosmos
I.
II.
III.
Wissenschaftlich-technische Grundlagen
Anwendungen, Produkte, Märkte
Gesellschaftliche und politische Aspekte
Überblick
Präsentationsmaterialien Teil 2
Reise in den Nanokosmos II:Anwendungen, Produkte, Märkte
Anwendungen, Produkte, Märkte
Neuartige Eigenschaften von Nanomaterialien, Nanoschichten und
Nanosystemen ...
n ... eröffnen neue Anwendungsperspektiven
n ... führen zu innovativen Produkteigenschaften
n ... werden in Zukunft Massenmärkte erobern
Bilder (v.l.n.r.): TU Berlin, Leibnitz-Institut für neue Materialien, Saarbrücken,
Degussa AG, Düsseldorf, Leibnitz-INM, Saarbrücken, Aixtron AG, Aachen
Entwicklungsstand und Anwendungsfelder
Sub 100 nm
Ultrapräzisionsbearbeitung
Strukturierung
Röntgenoptiken
SXM Nanoanalytik
NEMS
Diodenlaser
CNTVerbundmaterialien
Reise in den Nanokosmos II:Anwendungen, Produkte, Märkte
Magnetische Fluide
Funktionale Beschichtungen
Kohlenstoffnanoröhren
Nanostrukturierte
Wasserstoffspeicher
Quantenpunktsolarzellen
Molekulare Krebsfrüherkennung
Energie-/Umwelttechnik
Nanomembranen
Magnet. Hyperthermie durch
funktionalisierte Nanopartikel
Lab-on-a-chip-Systeme
Bio-Chip-Arrays
Interferenzlacke
Millipede
Nanopartikel für Reifen
Antireflektionsschichten
Nanoskalige
Verbundwerkstoffe
GMR-Sensoren
CNT-FED
OLED
MRAM/ FRAM
Spintronik
Entdeckung
Aufklärung
10-15 Jahre
Technische Realisierung,Prototypen
5-10 Jahre
Medizin/ Life Science
Röntgenkontrastmittel
Schaltbare Lackfarben
Molekularelektronik
Chemie/ Materialien
Nanopartikel/ Kolloide
Farbstoffsolarzellen
Drug Delivery
Tissue Engineering
Feinmechanik/Optik/Analytik
Anwendung
Innovation
0-5 Jahre
Verbreitung
Diffusion
Marktreife
Automobilbau
Elektronik/
Informationstechnik
Reise in den Nanokosmos II:Anwendungen, Produkte, Märkte
Gezielte Manipulation für neue Oberflächeneffekte und zur
Verbesserung von Oberflächeneigenschaften (Beispiele)
Anwendungsmöglichkeiten
für verschiedene
Nanobeschichtungen
Quelle und Bilder : Nano-X GmbH, Saarbrücken
Reise in den Nanokosmos II:Anwendungen, Produkte, Märkte
Neue Funktionalität durch Nanotechnologie
Feuersicherheit durch
Nanopartikel-Schutzfüllung für
Fensterscheiben
Spiegel mit Anti-BeschlagNanobeschichtung
Quelle und Bilder: Leibnitz-Instiut für Neue Materialien, Saarbrücken
Reise in den Nanokosmos II:Anwendungen, Produkte, Märkte
Verschleißfeste Oberflächen
Kunststoffglas ohne und mit Nano-Beschichtung nach dem Kratztest
Quelle und Bilder : Leibnitz-Instiut für Neue Materialien, Saarbrücken
(Ultradünne) funktionale Schichten
Beispiel: transparente Schmutzabweiser
Reise in den Nanokosmos II:Anwendungen, Produkte, Märkte
Transparente
Beschichtungen mit
speziellen Nanopartikeln
Eigenschaften:
n erhöhte Kratz- und
Abriebfestigkeit
n Benetzbarkeit und
Schmutzhaftung verringert
n bei Fenstern durch
Regeneinwirkung ein fast
vollständiger
Reinigungseffekt
Quelle und Bilder: Leibnitz-Instiut für Neue Materialien, Saarbrücken
Oberflächen mit dem Lotus-Effekt
Reise in den Nanokosmos II:Anwendungen, Produkte, Märkte
Selbstreinigung mit dem Lotus-Effekt:
Wassertropfen perlen über die Oberfläche
und reißen Farb- und Schmutzpartikel fort.
Wassertropfen spülen sogar „fettliebendes“
Farbpulver von einem Lotus-Blatt
Selbstreinigung auf Ruß bedeckter
Fassadenfarbe mit Lotus-Effekt
Oberflächenvergleich:
ohne (li.) und mit (re.)
Lotus-Effekt
Quelle: Nees-Institut für Biodiversität der Pflanzen - Universität Bonn
Bilder : Nees-Institut für Biodiversität der Pflanzen - Universität Bonn,
Degussa Advanced Nanomaterials, Hanau, STO AG, Stühlingen
Reise in den Nanokosmos II:Anwendungen, Produkte, Märkte
Photokatalyse mit Nanopartikeln aus Titandioxid
(TiO2)
Funktion der Nanopartikel:
n absorbieren UV-Licht
n zersetzen Wasser (H 2O) zu OH-Radikalen
und bilden mit Luftsauerstoff Wasserstoffperoxid
Wirkung:
n bakterizid, desinfizierend
Anwendungsbereiche:
n Selbstreinigung
n Operationssäle
n Türklinken
n ...
Bild: Nano-X GmbH, Saarbrücken
Reise in den Nanokosmos II:Anwendungen, Produkte, Märkte
Photonische Kristalle
n optisches Pendant zu einem
elektronischen Halbleiter mit
einer optischen Bandlücke in
einem definierten Wellenlängenbereich
n können wegen ihrer
besonderen Mikrostruktur
Lichtstrahlen lenken.
n Anwendungsgebiet:
z.B. Optoelektronik,
Lichtwellenleiter, ...
Quelle und Bilder: Institut für Physik - Universität Paderborn
Nanostrukturen in der Optoelektronik: LED
(LED = Light Emitting Diode)
Reise in den Nanokosmos II:Anwendungen, Produkte, Märkte
Voraussetzung für
Hochleistungs-LEDs:
Beherrschen von
Nano-Schichtsystemen
Eigenschaften:
klein & hell
lange Lebensdauer
hoher Wirkungsgrad
(noch) „teuer“
Anwendungen:
Automobil (Rücklicht)
Verkehr (Ampel)
Haustechnik (Beleuchtung mit
weißen LED)
Bild: Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF
InAs -Nanopyramiden für das Glasfaser -Internet
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Größe der Nanopyramiden
0.8
PL-Intensity (arb.u.)
Reise in den Nanokosmos II:Anwendungen, Produkte, Märkte
1.0
Lichtausbeute
0.6
0.4
300 K
0.2
5 W/cm
2
0.0
1500
1400
1300
1200
1100
1000
900
800
Wavelength (nm)
Wellenlänge [nm]
Laser
Empfänger
Glasfaser
Quelle und Bilder: CC NanOp (TU Berlin)
n Massive Verschiebung der
Spektralfarbe von Lasern durch
unterschiedliche Größe der
Nano-Pyramiden
n Laser verschiedener Farbe
bestehen aus demselben
Material!
n Datenströme sind „vielfarbig“:
Damit werden Übertragungsraten von bis zu 10 Terabit/s
erreicht!
Reise in den Nanokosmos II:Anwendungen, Produkte, Märkte
Nanotechnologie für Fernsehen im Taschenformat
n Preisgünstige blaue, grüne und rote
Laser lassen sich nur mittels
Halbleiter-Nanotechnologie herstellen
n Technik erfordert Integration von
Elektronik, Optik (Laser) und
Mikromechanik
Quelle und Bilder: CC NanOp (TU Berlin)
Mit Laserlicht lassen sich alle
natürlichen Farben erzeugen
(im Gegensatz zum herkömmlichen Röhrenfernseher)
Innovationsmotor Nanoelektronik (1)
Reise in den Nanokosmos II:Anwendungen, Produkte, Märkte
…kaum ein technisches Produkt heute
ohne Mikroelektronik
…Forschung in der Nanoelektronik zielt auf
- mehr Leistung
- weniger Ressourcenverbrauch
- mehr Intelligenz
- neue Produkte und neue Industrien
…der Nanoelektronik-Markt wächst
überproportional (zweistellig in %)
Bild: Bergerhof Studios, Köln
Innovationsmotor Nanoelektronik (2)
Reise in den Nanokosmos II:Anwendungen, Produkte, Märkte
…Beispiel: 90% aller Innovationen im Automobil durch Elektronik getrieben
Bild: Infineon Technologies AG, München
Reise in den Nanokosmos II:Anwendungen, Produkte, Märkte
Ultradünne Schichten
in der magnetischen Datenspeicherung
Ziel:
Erhöhen der FestplattenSpeicherdichte
Geforderte Eigenschaften der
Speicherdisk-Oberfläche, um
Lesekopf mit hoher Geschwindigkeit
nahe die Oberfläche zu bringen:
n mechanischer Schutz gegen
Berührungen zwischen Lesekopf
und Disk
n Korrosionsbeständigkeit
n kompatibel mit Gleitfilm (1 nm)
n Kohlenstoff-Schutzschicht
dünner als 3 nm (entspricht einem
Stapel von etwa 20 Atomen)
Magnetische Speicherschicht
Bilder: IBM Deutschland GmbH, Mainz
Nanotechnologie in Computer- Festplatten
Reise in den Nanokosmos II:Anwendungen, Produkte, Märkte
Nanotechnologie ermöglicht
n fortschreitende Miniaturisierung
n Erhöhung der Speicherkapazität
Nanotechnologie inside:
Der Festplatten-Lesekopf enthält in der
Mitte der vorderen Kante des
schwarzen Blocks einen winzigen
GMR-Sensor (GMR = Riesen
Magnetowiderstand).
Bilder: IBM Deutschland GmbH, Mainz
Festplatte mit > 1 GB
Speichervermögen
z.B. für digitale Kameras, HandheldPCs, Notebooks, PDAs und andere
mobile Geräte, austauschbares
Speichermedium für PCs und Drucker
Nanotechnologie-Anwendungen in der
Magnetoelektronik
DRAM
Interface
Reise in den Nanokosmos II:Anwendungen, Produkte, Märkte
(in einigen Jahren)
CPU
Ein-Chip-Lösung:
MagneticRAM-Speicher (MRAM):
MRAM
Memory
n nicht-flüchtig
n hohe Speicherdichte
n schnell
HDD
FLASH
nicht-flüchtig &
NETWORK
ROM
CPU
I/O
DRAM
SRAM
(heute)
nicht-flüchtig
hohe Speicherdichte
& schnell
hohe
Speicherdichte
schnell
Quelle: K. Ando, Ministry of Economy, International Trade and Industry (METI) of Japan
M
M
A
R
Reise in den Nanokosmos II:Anwendungen, Produkte, Märkte
Nanokristalline Materialien für Sensoren
Anforderung an Sensormaterialien:
n Hohe Selektivität, Stabilität und
Sensitivität
n definierte Teilchengeometrien
n möglichst große spezifische
Oberfläche
Nanopartikel und -kristalle:
n quantenmechanische Effekte
n große spezifische Oberfläche
n reagieren sehr stark auf
äußere Einflüsse
Vorteile durch Nanopartikel:
Sensorarray mit nanopartikulären
n hohe Genauigkeit
sensitiven Schichten
n gute Selektivität
n geringe Leistungsaufnahme (z.B. für portable Geräte)
Quelle: CC Nanochem
Bild: Institut für pyhsikalische und theoretische Chemie - Universität Tübingen
Reise in den Nanokosmos II:Anwendungen, Produkte, Märkte
Nanobiosensoren - miniaturisierte Analysesysteme
Motivation:
n Benötigen sehr wenig Substanz:
einzelne Zellen, Proteine oder
DNS aus den Zellen (z.B. für
Keimzellenanalyse)
n Parallelisierung von Analysen
Biosensoren:
n kontrollierte Schichtdicken und
Strukturen im Nanometerbereich
n maßgenscheiderte, spezifische,
makromolekulare
Erkennungsstrukturen
Beispiel: Optimieren der Wirkung von
Medikamenten auf bestimmte Gewebe
Quelle: CC Nanochem
Bild: Institut für pyhsikalische und theoretische Chemie - Universität Tübingen
Makromolekül auf Goldsubstrat zur
molekularen Erkennung
Nanobiotechnologie: Bakteriorhodopsin als
multifunktioneller Werkstoff
Reise in den Nanokosmos II:Anwendungen, Produkte, Märkte
Bakteriorhodopsin ist ein
biologisches Makromolekül mit
interessanten optischen
Eigenschaften, das
nanobiotechnologisch für
unterschiedliche Zwecke
optimiert werden kann.
Anwendungsmöglichkeiten:
n holografische Kamera
für die Werkstoffprüfung
n optisches Sicherheitssystem
n optischer/chemischer Sensor
(Retina-Ersatz)
n optischer Speicher
Quelle: Institut für Angewandte Biocphysikalische Chemie - Universität Marburg,
Agfa-Gevaert AG, Leverkusen
Reise in den Nanokosmos II:Anwendungen, Produkte, Märkte
Neue Krebstherapie mit nanobiotechnologisch
modifizierten Eisenoxid-Nanopartikeln
Anwendungsprinzip:
n mit einem äußeren Magnetfeld werden
spezielle Eisenoxid-Nanopartikel in
Krebszellen zur Überhitzung gebracht
(Magnetfeld-Hyperthermie) und töten
dadurch die Krebszellen
n wegen biomolekular modifizierter Hülle
werden Nanopartikel spezifisch
von den Krebszellen aufgenommen
(1)
(2)
Spezifische Partikelaufnahme im Bild:
(1) Hirntumorzellkultur nimmt EisenoxidNanopartikel mit einer Zuckerhülle
nicht gut auf (Cytoplasma bleibt hell)
(2) dunkle Stellen der gleichen Zellkultur
zeigen an, dass die Krebszellen
Nanopartikel mit nanobiotechnologisch
modifizierter Hülle aufnehmen
Quelle und Bilder: UK Charité, MagForce Applications GmbH, Berlin
Märkte für die Nanotechnologie
Beispiel: Medizin
Diagnostik
Pharmaka
Reise in den Nanokosmos II:Anwendungen, Produkte, Märkte
380 Mrd $ 3
40 Mrd $ 1
455
Mio $ 2
144
Mio $ 2
50 % durch Nanotechnologie beeinflussbar
Löslicheit von Wirkstoffen, orale, inhalative oder
dermale Aufnahme von Wirkstoffen, Drug Delivery, etc.
63
Mio $ 2
40 Mrd $ 4
DNAChips
ProteinChips
Drug Delivery
Lab-on-a-chipSysteme
10
Mrd $ 5
Nanoemulsionen
und -partikel
1: Weltmarkt 2005 Quelle: Uni Ulm; 2: Weltmarkt 2005 Quelle: Line Strategic Management;
3: Weltmarkt 2000 Quelle NNI Studie;
4: Weltmarkt 2000 Quelle Market Letter; 5: Weltmarkt 2005 Quelle: SkyePharma
Märkte für die Nanotechnologie
Beispiel: Chemie
Reise in den Nanokosmos II:Anwendungen, Produkte, Märkte
Nanoskalige Pulver
Keramische Pulver, Katalysatoren, ...
Keramische Pulver
Verbesserte Produkteigenschaften und
Energieeinsparungen
durch Nanotechnologie
156
Mio $
2,1 Mrd $ 2
Festkörperkatalysatoren
1
2 Mrd $ 3
Höhere Selektivität,
geringere Kosten
durch Nanotechnologie
25 Mrd $ 4
Hochwertige
Keramiken
900 Mrd $ 3
Katalytisch erzeugte
Chemikalien
1: Weltmarkt 2001; 2: Weltmarkt 2003 Quelle: BCC;
3: Weltmarkt 1999 Quelle Chemical Institute Canada; 4: Weltmarkt 2000 Quelle Freedonia Group