Wörterbuch

Aggregate, Agglomerate

Zwischen Materie (z.B. zwischen zwei Teilchen) gibt es immer Anziehungskräfte, die in der Regel umso stärker sind, je näher sich beide Teilchen kommen (z.B. Van-der-Waals-Kräfte). Damit es zu keiner Anlagerung bei Kontakt kommt, müssen abstoßende Kräfte vorhanden sein, die eine Annäherung bis auf eine Entfernung verhindern, in denen die anziehenden Kräfte größer als die abstoßenden Kräfte sind. Das einzelne Teilchen nennt man Primärteilchen. Haben sich nun mehrere Primärteilchen zusammengelagert, unterscheidet man nach der Stärke der Bindung Aggregate und Agglomerate.

Bei Aggregaten sind die Bindungskräfte zwischen den Teilchen geringer, sodass sich die Teilchen wieder lösen lassen (z.B. klumpiges Mehl). Industriell erfolgt dies z.B. durch leichtes Mahlen oder eine Ultraschallbehandlung.

Bei Agglomeraten sind die Bindungskräfte zwischen den Teilchen so groß, dass sie mit den vorhin erwähnten "sanften" Methoden, nicht mehr zerlegt werden können. Agglomerate können aber trotzdem mit intensiveren Methoden zerkleinert werden, dabei wird aber die ursprüngliche Form der Primärteilchen zerstört.

Aggregate können neben Primärteilchen auch aus Agglomeraten bzw. Aggregaten zusammengesetzt sein. Weiters müssen Aggregate und Agglomerate nicht unbedingt aus den Primärteilchen desselben Materials bestehen, sondern sie können aus verschiedenen Materialien aufgebaut sein.

Biomimetik/Bionik

Sich die Natur bei Forschungs- und Entwicklungsansätzen als Vorbild zu nehmen, nennt man Bionik bzw. Biomimetik.

Folgende Vorbilder aus der Natur wurden u.a. bereits in Produkten realisiert:

• Klette: Klettverschluss
• Haihaut: Schwimmanzüge – Die raue Oberfläche führt beim Schwimmen zu vielen kleinen Verwirbelungen, die insgesamt weniger behindernd ausfallen als wenige große Wirbel.
• Katzenpfote: Autoreifenprofil  - bei höheren Geschwindigkeiten drückt sich der Reifen durch die vorhandenen Rillen dichter an die Straßenoberfläche, was zu einer besseren Haftung führt
• Lotuseffekt (siehe dieser)

Coating

Coating von Nanopartikeln: Auf die primären Nanopartikel wird eine Hülle aus Molekülen oder Strukturen aufgebracht, was den Nanoteilchen neue Eigenschaften verleiht. Häufig werden solche Umhüllungen eingesetzt, um sie stabiler und weniger reaktiv zu machen: Nanotitandioxide, die in Sonnenschutzmitteln verwendet werden, sind aus diesem Grund in der Regel gecoatet.

Kohlenstoffnanoröhrchen (engl.: carbon nanotubes)

Kohlenstoffröhrchen sind röhrenförmige (innen hohle) Gebilde aus Kohlenstoff. Der Durchmesser der Röhren liegt typischerweise im Bereich von 1 bis 50 nm und die Länge im Bereich von mehreren Millimetern. Der Struktur nach sind die Kohlenstoffnanoröhrcheen mit Grafit (ebenfalls eine Modifikation des Kohlenstoffs) verwandt. Im Grafit sind die Kohlenstoffatome in Sechsecken - wabenartig in übereinander gelagerten Ebenen - miteinander verbunden. Bei Kohlenstoffnanoröhrchen sind eine oder mehrere dieser Ebenen aufgerollt und liegen so als Rohr vor. Bei einer Wand spricht man im Englischen von single-walled carbon nanotubes und bei mehrwandigen Kohlenstoffnanoröhrchen von multi-walled carbon nanotubes.

Die Anwendungen stehen in enger Beziehung zu den außergewöhnlichen Eigenschaften: 

• Hohe Zugfestigkeit (um Faktor 30 höher als Stahl)
• Geringe Dichte (1,3-1,4 g/cm³; Stahl z.B. 7,8 g/cm³)
• Es gibt elektrisch leitende, halb leitende und isolierende Kohlenstoffnanoröhrchen
• Hohe Wärmeleitfähigkeit
• Moleküle können auf die Wandoberflächen aufgebracht werden (Modifizierung – Funktionalisierung)
• Relativ hohe chemische Beständigkeit
• Hohe spezifische Oberfläche: >1000m²/g

Verwendungen von Kohlenstoffnanoröhrchen:

• Als Füllstoff für Kunststoffe, Beton etc. (Komposite) können sie die Zugfestigkeit erhöhen und den Schutz vor Rissausbreitung verbessern. Die Vorteile liegen in der Leichtigkeit und darin, dass wenig Material benötigt wird, um eine hohe Anzahl pro Volumen zu erreichen; leitende Kunststoffe können geschaffen werden
• Als Filter und Kataysatoren aufgrund der hohen spezifischen Oberfläche
• Verarbeitung zu Fasern und Matten
• Für kratzfeste Beschichtungen
• In der Elektronik: Transistoren, Displays, Solar- und Brennstoffzellen etc.
• In der Messtechnik: Spitzen von Rastertunnelmikroskopen

Lotuseffekt

Wie der Name schon sagt, war die Lotusblume Vorbild für die technische Nutzung des „Lotuseffekts“; an dieser Pflanze wurde das Phänomen untersucht: Bei der Lotusblume benetzt Wasser die Blattoberfläche nicht, sondern perlt ab. Aufliegender Schmutz wird dabei vergleichsweise leicht entfernt. Das in der Natur gefundene Prinzip wurde für technologische Anwendungen übernommen und eingesetzt.

Die Ursache des Lotuseffekts liegt in einer besonderen Oberflächenstruktur des Lotusblattes. Die Blattoberfläche der Lotuspflanze besitzt zahlreiche Noppen, die von einer hydrophoben Haut bedeckt sind. Die Anziehungskräfte zwischen Oberfläche und Flüssigkeit sind dadurch so gering, dass die Anziehungskräfte innerhalb der Flüssigkeit stärker sind und es zu keiner Benetzung/Haftung kommt. Nur etwa 2 bis 3 % der Tropfenoberfläche stehen so mit der Oberfläche der Pflanze in Kontakt. Flüssigkeitstropfen können auf diese Weise leicht abperlen und aufliegende Schmutzpartikel, die ebenfalls nur eine kleine Kontaktfläche besitzen, mitreißen und wegspülen.

Mithilfe der Nanotechnologie ist es möglich, Oberflächen nach selbigem Prinzip und mit vergleichbarer Wirkung herzustellen - etwa für leicht zu reinigende Produkte.

Nano-Verbundwerkstoffe (Nano-Komposite)

Ein Verbundwerkstoff ist ein Werkstoff, der sich aus zwei oder mehreren Materialien zusammensetzt und andere Eigenschaften als eine seiner einzelnen Komponenten besitzt. Die Intention dahinter ist die Zusammenführung von Materialien, die sich in ihren Eigenschaften ergänzen. 

Ein bekanntes Beispiel dafür ist Stahlbeton: Stahl besitzt eine hohe Zugfestigkeit und Beton eine hohe Druckfestigkeit (die Zugfestigkeit beträgt im Vergleich nur ca. 10%). In Kombination ergibt sich ein besonders belastbarer Werkstoff. Bei Nano-Verbundwerkstoffen werden entweder Nanoteilchen miteinander kombiniert (z.B. Titandioxidpartikel, die mit Siliziumdioxid-Partikel ummantelt sind) oder sie dienen als Zusätze für Lacke und Polymere (Polymer: siehe dieses).

• Metallische Partikel, um elektrisch nicht leitende Polymere leitend zu machen
• Zugabe von Kohlenstoffnanoröhrchen zu Polymeren, um die Zugfestigkeit zu erhöhen
• Zugabe oxidischer Nanopartikel zu Polymeren, um diese UV-beständiger, kratzfester etc. zu machen

Oberflächenatome

Die Atome eines Stoffes ordnen sich so an, dass sie die energetisch günstigste Umgebung vorfinden. Dies führt dazu, dass das Anordnungsmuster im Inneren der Materie - abgesehen von Strukturfehlern - gleich ist (gleiche Abstände und Bindungskräfte entsprechender Atome, gleiche Anzahl und Art umgebender Nachbaratome).

Wäre ein Stoff unendlich weit ausgedehnt, gebe es nur diese Form der Anordnung. Da aber die Materie in ihrer Endlichkeit begrenzt ist und daher eine Oberfläche besitzt, müssen sich Oberflächenatome in einer anderen - energetisch ungünstigeren - Umgebung als die Innenatome anordnen. Oberflächenatome sind von weniger Atomen umgeben als Innenatome, und auch die Bindungswinkel, Bindungsstärken und Atomstände sind anders als im Inneren des Partikels.

Infolge dieser unterschiedlichen Gegebenheiten besitzen Innen- und Oberflächenatome unterschiedliche Eigenschaften. Da der Anteil an Oberflächenatomen im Vergleich zu Innenatomen bei Nanomaterialien sehr hoch ist, werden die Eigenschaften der Nanomaterialien besonders von diesen geprägt. Eine Konsequenz daraus ist die höhere Reaktivität von Nanomaterialien für chemische Reaktionen, niedrigere Schmelzpunkte und bessere Löslichkeit - im Vergleich zur makroskopischen Form.

Oberflächenenergie

Die Oberflächenenergie ist ein Maß für die Energie, die zum Aufbrechen der chemischen Bindungen notwendig ist, wenn eine neue Oberfläche eines Festkörpers oder einer Flüssigkeit erzeugt wird. Die Oberflächenenergie ist immer positiv, weil Energie benötigt wird, um Bindungen aufzubrechen. Da der thermodynamisch stabile Zustand eines Systems derjenige mit der geringsten (freien) Energie ist, hat jedes System das Bestreben, Oberflächen hoher Oberflächenenergie zu vermeiden oder zu minimieren. Daraus folgt beispielsweise, dass Materialien hoher Oberflächenenergie leicht durch Materialien geringer Oberflächenenergie bedeckt werden (Benetzung), aber nicht umgekehrt.

Polymer

Chemische Verbindung, die aus Kettenmolekülen oder verzweigten Molekülen besteht, die aus gleichen oder gleichartigen Einheiten gebildet werden. Das Adjektiv polymer bedeutet entsprechend: aus vielen gleichen Teilen aufgebaut. Die meisten Kunststoffe sind Polymere, bei denen der Kohlenstoff für die molekulare Kettenbildung sorgt.

Rasterkraftmikroskop bzw. Atomkraftmikroskop (engl. atomic/scanning force microscope; Abkürzungen AFM bzw. SFM):

Das Rasterkraftmikroskop ist ein wichtiges Werkzeug in der Oberflächenchemie und dient zur mechanischen Abtastung von Oberflächen und der Messung atomarer Kräfte auf der Nanometerskala. Während der Messung wird eine an einer mikroskopisch kleinen Blattfeder befestigte Nadel zeilenweise in einem definierten Raster über die Oberfläche einer Probe geführt. Durch die Oberflächenstruktur der Probe biegt sich dabei die Blattfeder positionsabhängig unterschiedlich weit. Diese Verbiegung bzw. Auslenkung der Spitze wird gemessen und ist ein Maß für zwischen der Spitze und der Oberfläche wirkende atomare Kräfte.

Durch das punktweise Aufzeichnen der Auslenkungen bzw. Kräfte lässt sich wie bei einem Digitalfoto eine Abbildung der Probenoberfläche erzeugen. Jeder einzelne Bildpunkt steht dann für eine bestimmte physikalische oder chemische Messgröße z.B. Rauigkeit des Bereiches, magnetische Eigenschaften des untersuchten Bereiches (durch Spitzen, die selber magnetisch und so empfindlich für die Eigenschaft von Interesse sind), chemische Eigenschaften mit Spitzen, die mit chemischen Verbindungen besetzt sind, die mit der Oberfläche wechselwirken können etc. Je feiner die Spitze ist, desto höher ist in der Regel auch die Auflösung der Probenoberfläche, was nach dem neuesten Stand je nach Rauigkeit der Probenoberfläche Auflösungen von 0,1-10 nm erlaubt. Dies reicht aus, um im Idealfall sogar einzelne Atome abbilden zu können. Damit hat das Rasterkraftmikroskop zusammen mit dem Rastertunnelmikroskop die höchste Auflösung aller mikroskopischen Techniken.

Stabilisierung/Stabilität

Nano-Partikel haben von sich aus eine hohe Aggregations- bzw. Agglomerationsneigung, da die Oberflächenenergie für kleine Partikel höher ist und durch die „Vereinigung“ von Partikeln die freie Oberfläche und damit auch die Energie reduziert wird. Aggregation und Agglomeration sind von Natur aus energetisch günstig und erstrebenswert für diese Partikel. Um diesem natürlichen Prozess entgegenzuwirken, müssen Bedingungen vorhanden sein bzw. technologisch Bedingungen geschaffen werden, die eine Anlagerung verhindern bzw. im Allgemeinen verzögern.

Die Resistenz von Teilchen gegenüber Agglomeration und Aggregation bezeichnet man in diesem Zusammenhang als Stabilität eines Systems. Grundsätzlich unterscheidet man drei Formen von Stabilitätsmechanismen, die vor allem in flüssigen Medien zum Tragen kommen, aber auch z.B. für Aerosole in Gasen gültig sind:

• Elektrostatische Stabilisierung: Bei dieser Methode ist die Oberfläche der Teilchen mit Ladungsträgern bedeckt (z.B. elementare Ionen wie etwa Cl^-, Na⁺, Moleküle mit dissozierten ionischen Gruppen). Gleichgeladene Partikel - entweder positiv oder negativ geladen - stoßen sich ab und halten sich so auf Distanz. Die Stärke der elektrostatischen Abstoßungskraft wird als Zeta-Potenzial in Millivolt angegeben. Je höher das Zeta-Potenzial ist, umso höher ist auch die Stabilität des Systems. Den Schutz der Ladung kann man sich wie eine Hülle um das Partikel herum vorstellen. Das Zeta-Potenzial reagiert empfindlich und fällt in der Regel mit steigenden Ionenstärken. Das hat zur Folge, dass dieser Schutzmechanismus manchmal schon bei geringen Salzgehalten in wässrigen Lösungen zum Erliegen kommt. Dabei wird die Schutzhülle komprimiert, sodass sich die Partikel soweit annähern können, dass sich auch die gleichgeladenen Partikel durch stärkere Anziehungskräfte anlagern können. Elektrostatische Ladungen werden zum Teil auch bewusst genutzt, um Partikel mit Teilchen mit entgegengesetztem Ladungsvorzeichen zu ummanteln.
• Sterische Stabilisierung: Bei dieser Methode wird die Annäherung und mögliche Anlagerung von Teilchen durch eine „materielle“ Barriere verhindert. Diese Barriere können z.B. Polymere, Biomoleküle, andere Nanopartikel oder auch das Lösungsmittel sein. Ähnlich wie bei der elektrostatischen Stabilisierung soll auch hier eine Annäherung bis auf einen Abstand verhindert werden, ab dem die Anziehungs- größer als die Abstoßungskräfte sind. Es gibt verschiedenste Formen der sterischen Stabilisierung. Eine Möglichkeit sind Polymere, die die Oberfläche der Partikel bedecken, in das Medium ragen und dabei so voluminös sind, dass sie andere Partikel wie Sprungfedern von einem Kontakt abhalten. Besitzen voluminöse Polymere eine relevante Menge an Ladungsträgern, sodass auch die Effekte einer elektrostatischen sterischen Stabilisierung zu tragen kommen, spricht man von einer elektrosterischen Stabilisierung.

• Kinetische Stabilisierung: Diese Form der Stabilisierung beruht darauf, dass die Anzahl und Wahrscheinlichkeit möglicher Stöße zwischen den Teilchen so klein als möglich gehalten wird. Das ist einerseits dadurch möglich, dass die Konzentration der Nanopartikel im Medium gering gehalten wird. Hochkonzentrierte wenig aggregierte/agglomerierte Suspensionen sind dementsprechend schwieriger herzustellen. Andere Möglichkeiten sind die Erhöhung der Zähigkeit und eine niedrige Temperatur des Mediums, da so die Bewegung der behindert und die Geschwindigkeit der Teilchen gering und die Wahrscheinlichkeit von Berührungen ebenfalls gering gehalten wird.

Transmissionselektronenmikroskop (Abkürzung: TEM)

Bei diesem Verfahren wird eine sehr dünne Probe von einem Elektronenstrahl durchleuchtet. Die Elektronen werden dafür mit einer Spannung von 80 bis 400 kV (80000 bis 400000 Volt) auf die Probe beschleunigt. Die Elektronen werden abhängig vom Probenmaterial und der Ordnungszahl der vorhandenen Elemente an der Position des Strahls unterschiedlich stark absorbiert und gestreut - dadurch erhält man unterschiedliche Bereiche und einen Kontrast. Diese Wechselwirkung der Elektronen mit der Materie wird auf der anderen Seite der Probe detektiert und die Informationen der einzelnen Punkte zu einem Bild zusammengesetzt. Bei dieser Art der Mikroskopie liegt die Auflösungsgrenze momentan bei 0.5 nm.