01/2000
Aktuelle Fortschritte bei der Entwicklung und Charakterisierung von Nanomaterialien zeigt das Netzwerk NanoMat bei der diesjährigen Hannover Messe (20.-25. März) auf seinem Stand in Halle 18 "Forschung und Technologie" (OG, K09, Nanoworld). Dies wird an Beispielen der Keramik aus Nanoteilchen und an nanoskaligen Schichten mit besonderen Eigenschaften verdeutlicht. Außerdem präsentiert NanoMat zum Schwerpunktthema "Oberflächencharakterisierung mit Sub-Nanometerauflösung durch Rasterkraftmikroskopie" eine neue Methode, die quantitative Informationen über dreidimensionale Topographie, Elastizität und Reibung liefert. Zusätzlich kann sie zur elektrochemischen Nanostrukturierung und zur Nanomaterialbearbeitung als kleinste Fräsmaschine der Welt dienen.
Mit NanoMat koordinieren drei Forschungszentren der Helmholtz-Gemeinschaft, zehn Universitäten, ein Max-Planck-Institut, drei Institute der Fraunhofer-Gesellschaft und zwei große internationale Unternehmen ihre Forschungsprojekte zum Thema der Synthese und Untersuchung von metallischen und keramischen nanostrukturierten Materialien und Werkstoffen und den Funktionen, die sich aus der Nanoskaligkeit ergeben. Innerhalb des Netzwerks NanoMat werden die Kompetenzen der Kooperationspartner gebündelt, so daß Projekte interdisziplinär und durchgängig von der Vorlaufforschung bis zum Transfer in wirtschaftlich verwertbare Ergebnisse durchgeführt werden können.
Auf der Hannover Messe 2000 wird NanoMat repräsentiert durch das Forschungszentrum Karlsruhe, das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe (IKTS), das Fraunhofer-Institut für Silicatforschung (ISC), die Universität Karlsruhe (TH) und die Universität des Saarlandes.
Ein neues Verfahren der Nanostrukturierung wird vom Forschungszentrum Karlsruhe und der Universität Karlsruhe vorgestellt. Die Oberflächencharakterisierung mit Sub-Nanometerauflösung erfolgt durch ein Rasterkraftmikroskop mit rechnergestütztem Meß- und Auswerteverfahren, das es nicht nur erlaubt, die dreidimensionale Oberflächenstruktur mit hoher Auflösung abzubilden, Materialkontraste und Materialinhomogenitäten zu erkennen, sondern auch Nano-Materialbearbeitung und elektrochemische Nanostrukturierung durchzuführen. Welche Anwendungen sich mit der serienmäßigen Nanostrukturierung eröffnen werden, ist nach Ansicht von Prof. Dr. Thomas Schimmel, Arbeitsgruppenleiter im Institut für Nanotechnologie (INT) des Forschungszentrums Karlsruhe und Mitglied der kollegialen Leitung des Instituts für Angewandte Physik der Universität Karlsruhe, derzeit noch gar nicht absehbar.
Auf dem besten Weg, völlig neue Märkte zu erschließen, sind Nanokeramiken mit den besonderen Eigenschaften: superhart - reibungsarm - nanoporös. Das Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Sinterwerkstoffe Dresden (IKTS) bietet Kooperation und Vertragsforschung zur Technologie-, Bauteil- und Systementwicklung für Nanokeramikprodukte an. Während der Hannover Messe stellt das IKTS z.B. Sinterkorunde mit Porenweiten zwischen 15 und 50 nm vor, die für Trennmembranen, Katalysatorsubstrate und Sintergranulate prädestiniert sind. Für Werkzeugwerkstoffe eignen sich besonders porenfreier 500 nm-Korund und 200 nm-Wolframkarbid (WC)-Hartmetall mit Härtewerten von HV10 2100 bzw. 2600. Für freie Gleitlager kommen Nanosiliziumnitride mit einem Trocken-Reibkoeffizienten von 0,1 als Schmiermittel in Frage. Die Verkleinerung der Gefügekorngröße von Keramiken und Hartstoffen in dem Bereich 100 bis 500 nm führt zu diesen neuen technisch nutzbaren Eigenschaften. Die höhere Belastbarkeit von feinkörnigen Werkzeugwerkstoffen wie Hartmetall, Cermet und Keramik beruht auf der hohen Härte, der gestiegenen Festigkeit und dem verbessertem Abrasivverhalten. Da sich die besonderen Eigenschaften wie hohe Härte und Bruchbeständigkeit, Thermoschockbeständigkeit, günstige tribilogische Eigenschaften, plastisches Verhalten bei Temperaturen weit unter dem Schmelzpunkt, nur bei Korngrößen kleiner 100 Nanometer zeigen, kommt es darauf an, bei der Weiterverarbeitung der Feinstpulver durch Verdichten und Sintern, das Kornwachstum zu begrenzen. Das gelingt mit guter Qualität bisher nur durch das dynamische Kompaktieren mittels Magnetpulsverfahren und Mikrowellensintertechnik. Beide Verfahren sind im Forschungszentrum Karlsruhe bis zur industriellen Anwendung optimiert worden und werden auf der Hannover Messe vorgestellt.
Die Universität des Saarlandes zeigt gesinterte Kieselgläser mit nanoskaligen Goldeinlagerungen, die für die gleichmäßige Rotfärbung der Gläser sorgen. Die Herstellung von Gläsern über die Sinterroute hat durch die Lichtleitfasertechnologie einen großen Schub vorwärts erhalten. Hier werden wegen der hohen Anforderung an die Reinheit sehr feine (Glasteilchen kleiner als 100 Nanometer), aus der Gasphase abgeschiedene Siliziumdioxid-Pulver eingesetzt. Mit diesem Verfahren können die optischen Eigenschaften der gesinterten Kieselgläser modifiziert und durch nanoskalige Zweitphasen neue optische Eigenschaften erzielt werden.
Aus der Palette der nanoskaligen Viellagenfunktions- und Schutzschichten präsentiert das Fraunhofer-ISC Würzburg ein Solarmodul mit entspiegelter Abdeckscheibe. Die störende optische Reflexion bei Gläsern und transparenten Kunststoffen beruht auf der abrupten Änderung der Brechzahl an der Grenzfläche zweier Medien. Strukturen, die kleiner sind als die Wellenlänge des sichtbaren Lichtes, können von diesem nicht aufgelöst werden und bewirken einen sanften Übergang der Brechzahl an der Grenzfläche von Luft zu dem verwendeten Material. Oberflächenstrukturen im Submikrobereich können so die Reflexion wesentlich verringern. Ein Verbund aus drei Fraunhofer- Instituten hat sich zum Ziel gesetzt, Oberflächen von Glas oder Kunststoff durch Submikrostrukturen für optische Anwendungen zu veredeln. Durch Aufbringen poröser anorganischer Sol-Gel-Schichten entsteht eine Grenzfläche geringer optischer Dichte, die breitbandig reflexmindernd wirkt. Diese Schichten lassen sich kostengünstig großflächig abscheiden.
Regine Hedderich
Nanomaterialbeschichtung mit dem
Rasterkraftmikroskop als "CNC-Nanofräsmaschine". Der Querschnitt der in die
Glimmeroberfläche geschriebenen Linien entspricht etwa einem millionstel des Querschnittes eines
menschlichen Haares.
Christian Obermair, Thomas Schimmel,
Universität Karlsruhe
Mit dem
Rasterkraftmikroskop elektrochemisch auf einer Goldoberfläche abgeschiedene Struktur aus Kupfer.
Der Querschnitt der Linien entspricht etwa einem millionstel des Querschnittes eines menschlichen
Haares.
Andreas Wagner, Christian Obermair, Thomas Schimmel,
Universität Karlsruhe