Nano verändert die Welt über die Oberfläche

Immer mehr Unternehmen, gerade Mittelständler, entdecken die Nanotechnologie als eine Chance, die eigenen Produkte mit neuen Funktionen auszustatten, und so dem Kunden einen Mehrwert anzubieten. Nanogate versteht sich hier als ein „Enabler“ im Bereich der chemischen Nanotechnologie. Das bedeutet, dass es bestehende Produkte und Anwendungen mit Nanotechnologie veredelt. Diese erhalten somit zusätzliche Eigenschaften.

Basis für die Arbeit sind die verschiedenen Technologieplattformen des Unternehmens, auf deren Grundlage Produkte und Anwendungen entwickelt werden. Diese Plattformen sind auf die Anforderungen von verschiedenen Industriezweigen ausgerichtet. Dazu gehört der Maschinenbau, die Glasindustrie oder die Gebäudetechnik.

Eine dieser Technologieplattformen ist Dotfarm-Optics, die von der Nanogate-Tochter Nanogate Advanced Materials GmbH entwickelt wurde. Durch den Einsatz dieser Technologie für optische Anwendungen lässt sich Licht zielgerichteter lenken und zudem der Energieverbrauch reduzieren. Darüber hinaus sind die Produktionskosten günstig.

Es handelt sich dabei um eine Technologieplattform zur Herstellung nanostrukturierter, hochleistungsfähiger Lichtlenksysteme, wie sie zum Beispiel in Hintergrundbeleuchtungen von Displays vorkommen. Auf diesem Wege kann die herkömmliche Lichtlenkfolie, die in LCD-Displays zum Einsatz kommt, ersetzt werden. Hierdurch wird zum einen mit den zur Verfügung stehenden Ressourcen sparsamer umgegangen. Zum anderen können die Hersteller die Produktionskosten um bis zu 50 % senken.

Die Technologie kann ebenfalls zur Veredelung von Hochleistungs-LED genutzt werden. Durch eine optische Funktionalisierung der Oberfläche kann das Licht gezielt fokussiert werden, was bisher nur durch den Einsatz einer Linse möglich war. Neben einer erheblichen Materialeinsparung wird deutlich weniger Energie benötigt, um die gleiche Leuchtkraft zu erzielen.

Ein weiterer Vorteil der Lösung liegt darin, dass die Herstellung im Rahmen einer neuartigen Nanoimprint-Technologie kostengünstig realisiert werden könnte. Die Grundlage bildet die Erzeugung von hochpräzisen Gitterstrukturen auf der Oberfläche eines ebenen Lichtwellenleiters. Dabei werden Millionen von Beugungsgittern erzeugt, deren Einzel-Gitter, die so genannten Dots, individuell eingestellt, programmiert und somit ausgerichtet werden können. Der Markt für die LED-Herstellung wächst rasant und wird nach Schätzungen des Marktforschungsunternehmens Isuppli mit einem durchschnittlichen jährlichen Wachstum von 14,6 % bis 2012 auf 12,3 Mrd. Dollar steigen. Wachstumstreiber sind vor allem Hochleistungs-LEDs, deren Marktanteil sich von 4 % im Jahr 2005 auf 31 % in 2012 erhöhen soll, verbunden mit Produktionsmengen von mehr als 50 Mrd. Stück pro Jahr.

Eine weitere Technologieplattform ist N_charge, die eine permanente elektrostatische Aufladung von Oberflächen wie Glas, Kunststoff oder Textilien ermöglicht. Dies lässt sich vor allem im Bereich der Separations- und Filtrationsmedien einsetzen. Anders als bisherige Anwendungen ist diese Aufladung permanent und umfasst auch flexible, transparente oder druckbare Anwendungen.

Durch die Kombination der vorhandenen Eigenschaften ist es zudem vorstellbar, die Technologieplattform zum kostengünstigen Aufbau großer und effizienter Energiespeicher für elektrische oder elektronische Anwendungen zu nutzen. Auch im Bereich akustischer Membranen könnte die Technologie künftig zum Einsatz kommen.

Die erste auf Basis von N_charge entwickelte Anwendung ist PermaStatic. Dank einer dauerhaften elektrostatischen Aufladung durch eine Speicherschicht wird die Filtrationsleistung signifikant verbessert. Die einzelnen Textilfasern werden hierbei mit einer unter 100 nm dicken Schicht umhüllt. Am besten ist PermaStatic mit einem intelligenten Staubmagneten zu vergleichen, der mit seinen unsichtbaren Fangarmen feinste Teilchen aktiv anzieht.

Die Einsatzgebiete von PermaStatic sind breit gefächert und reichen vom Gebäude- und Automobilfiltern bis hin zu Filtersystemen für den Haushalt. So wird aus einem normalen Filtermedium ein System, welches eine neue Leistungsklasse erreicht, ohne die Konstruktion des Filtermediums zu verändern. Die Filterindustrie sieht sich der Herausforderung gegenüber, die Filtrationsleistung konstant verbessern zu müssen, besonders im Feinstaubbereich. PermaStatic kann relativ einfach und kostengünstig in bestehende Produktionsprozesse integriert werden und leistet durch eine verbesserte Filtration einen nachhaltigen Beitrag zur Luftreinheit.

Für die Bedürfnisse des Bereichs Maschinenbau wurde die Technologieplattform nanoPlating entwickelt. Eine Beschichtung sorgt dafür, dass sowohl die Reibung der einzelnen Komponenten, als auch Schmutzablagerungen deutlich reduziert werden. Hierdurch wird vor allem die Energieeffizienz signifikant verbessert. Darüber hinaus müssen die veredelten Komponenten seltener gereinigt werden, was zu einem reduzierten Einsatz von Reinigungsmitteln führt.

Eingesetzt werden Anwendungen auf Basis dieser Plattform vor allem im Maschinenbau. So werden beispielsweise Walzen für die Drucktechnik mit einer entsprechenden Beschichtung versehen. Diese führt zu einer verlängerten Standzeit und einem verringertem Reinigungsbedarf. Dadurch spart zum einen der Betreiber Geld, denn seine Maschinen laufen länger. Zum anderen wird die Umwelt geschont, denn es kommen weniger aggressive Reinigungsmittel zum Einsatz.

Laut einer Studie des Fraunhofer-Instituts für Werkstoffmechanik (IWM) aus dem Jahr 2005 entspricht der durch Reibung entstandene Schaden für Industrieländer in etwa 4,5 % des Bruttoinlandsproduktes. Dadurch entsteht der deutschen Wirtschaft ein jährlicher Verlust in Milliardenhöhe. Nicht nur Material und Komponenten werden durch Reibung stark beansprucht, sondern auch der Energieaufwand ist sehr hoch. Mithilfe der Nanotechnologie kann Reibung reduziert werden, dies ist gerade in Verbindung mit gesteigerter Abriebfestigkeit eine interessante Kombination für industrielle Anwendungen.

Die neueste Entwicklung der Technologieplattform nanoPlating stellt die Produktfamilie nanoGlide für Oberflächenveredelungen dar. Anders als bei herkömmlichen Beschichtungen wird keine Schicht im klassischen Sinne aufgetragen. Erstmals werden elektrochemische Prozesse genutzt, um Metalloberflächen in ihrer Matrix zu funktionalisieren. Insbesondere metallische Matrizes können aufgrund dieser Technologiebasis durch die Integration von Nanostrukturen funktionalisiert werden. Gegenüber den klassischen Materialien zur Oberflächenveredelung werden hiermit wesentlich stabilere und abriebfestere Oberflächensysteme erzeugt und je nach Anforderungen mit weiteren Eigenschaften funktionalisiert.

Michael Jung Vorstandsmitglied der Nanogate AG, Göttelborn

Einen unerwarteten elektronischen Effekt bei Nanoröhren haben Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT), unterstützt durch das DFG-Centrum für Funktionelle Nanostrukturen (CFN), entdeckt. Dieser verspricht einen Durchbruch bei der Herstellung neuartiger Schaltelemente. Nanoröhren gelten wegen ihrer besonderen optischen, elektronischen und mechanischen Eigenschaften als Shootingstars in der Nanowissenschaft.

Den Karlsruher Wissenschaftlern ist es nun gelungen, deren Leitfähigkeit an einzelnen, genau definierten Stellen durch Bestrahlung mit Elektronen um das 1000-fache herabzusetzen und damit im elektronischen Flussbett winzige Dämme einzuziehen. Legt man eine hohe Spannung an, leiten die behandelten Stellen den Strom wieder. Die Nanoröhren selbst bleiben unbeschädigt.

„Mit einem verhältnismäßig kleinen Aufwand können wir einen Rieseneffekt erzeugen, der zugleich reproduzierbar und reversibel ist. Das wird einen großen Einfluss auf die Verwendung von Nanoröhren in Computer-Chips haben“, ist KIT-Forscher Ralph Krupke überzeugt. Der Physiker spricht von so genannten Quantendots, die sich bisher nur sehr aufwändig herstellen und in Schaltkreise integrieren ließen. „Diese Quantendots sind nichts anderes als kleine Inseln, auf die nur wenige Elektronen passen“, erklärt er.

Das Besondere: Sie lassen sich schalten und steuern wie Transistoren, sind aber deutlich kleiner als diese. Mit dem neuen Verfahren lassen sich auf einer Nanoröhre integrierte Quantendots definierter Größe herstellen, indem man mit dem Elektronenstrahl jeweils zwei eng beieinanderliegende Stellen abrastert.